在現(xiàn)代高速數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)中，PAM4和NRZ是兩種關(guān)鍵的調(diào)制技術(shù)， 傳統(tǒng)的數(shù)字信號最多采用的是NRZ（Non-Return-to-Zero）信號，即采用高、低兩種信號電平來表示要傳輸?shù)臄?shù)字邏輯信號的1、0信息，每個信號符號周期可以傳輸1bit的邏輯信息；而PAM信號則可以采用更多的信號電平，從而每個信號符號周期可以傳輸更多bit的邏輯信息。比如以PAM4信號來說， PAM4（4-Level Pulse Amplitude Modulation）即四電平脈沖幅度調(diào)制，PAM4信號技術(shù)是一種采用4個不同的信號電平來進(jìn)行信號傳輸?shù)恼{(diào)制技術(shù)。作為下一代高速信號互連的熱門信號傳輸技術(shù)，PAM4信號比傳統(tǒng)NRZ（Non-Return-to-Zero）信號多了兩個電平：NRZ信號采用高、低兩種信號電平表示數(shù)字邏輯信號的1、0，每個周期可以傳輸1bit的邏輯信息；PAM4信號則采用4個不同的信號電平進(jìn)行信號傳輸，即00、01、10、11，每個周期可以傳輸2bit的邏輯信息。因此，在相同符號周期內(nèi)，PAM4信號的比特速率是NRZ信號的兩倍。

• NRZ：二進(jìn)制調(diào)制，每個符號周期傳輸1比特（0或1），通過兩個電平（高/低）表示數(shù)據(jù)。

• PAM4：四電平調(diào)制，每個符號周期傳輸2比特（00/01/10/11），通過四個不同幅度電平編碼數(shù)據(jù)，帶寬效率翻倍

• PAM4信號與傳統(tǒng)NRZ訊號對比

• NRZ：

• • 優(yōu)勢：信號幅度大（僅2電平），抗噪聲和信道損耗能力較強(qiáng)，適合中短距離（如板內(nèi)或芯片間互聯(lián)）。

  • 劣勢：長距離下需更高波特率以滿足容量需求，導(dǎo)致信道損耗（如下圖中的插入損耗、串?dāng)_）顯著增加，限制傳輸距離。

• PAM4：

• • 優(yōu)勢：相同波特率下數(shù)據(jù)速率是NRZ的2倍，適合長距離高帶寬需求（如光模塊、數(shù)據(jù)中心互聯(lián)）。

  • 劣勢：信號幅度更密集（4電平），對噪聲和信道非線性更敏感，需復(fù)雜的均衡（如FFE/DFE）和前向糾錯（FEC）補(bǔ)償。

PAM4在長距離傳統(tǒng)信道中相比NRZ具有更好的信噪比（SNR）優(yōu)勢

• 目標(biāo)誤碼率（BER）適中（1e-4至1e-6），通過前向糾錯（FEC）實現(xiàn)極低誤碼率（<1e-12）。

PAM4憑借更高的帶寬效率，在長距離傳輸中（尤其是傳統(tǒng)信道條件下）能提供優(yōu)于NRZ的SNR表現(xiàn)。盡管其原始誤碼率（1e-4~1e-6）高于NRZ，但結(jié)合FEC技術(shù)后，可穩(wěn)定達(dá)到超低誤碼率（<1e-12），滿足高速互聯(lián)的可靠性需求。

PAM4的信號幅度僅為NRZ的1/3，殘留碼間干擾（ISI）和串?dāng)_影響增至3倍

• 需配置大量接收端均衡抽頭（如DFE或FFE），以最大限度抑制殘留ISI，確保信號完整性。

信號幅度降低至1/3，導(dǎo)致其對信道損傷（如ISI和串?dāng)_）的敏感度顯著增加（約3倍）。為補(bǔ)償這一劣勢，接收端需依賴高階均衡技術(shù)（如DFE/FFE），通過多抽頭設(shè)計優(yōu)化信號恢復(fù)能力。

• PAM4信號技術(shù)科普

在計算數(shù)據(jù)帶寬時，GT/s表示什么？

GT/s 其中的T是transfers，即傳輸?shù)暮x。

這會有兩種含義，而且經(jīng)常會搞混：第一種是transfers per second，或者gigatransfers per second，第二種是datatransfers per second，或者gigadatatransfers per second。

前者表示在單位時間即每秒內(nèi)，傳輸數(shù)據(jù)的操作發(fā)生的次數(shù)，也被稱為采樣率，即每秒捕獲的數(shù)據(jù)采樣數(shù)，采樣通常發(fā)生在時鐘邊沿。

可以看到，這個定義中不包括傳輸?shù)谋忍芈省?/p>

而后者則是指單位時間即每秒內(nèi)，傳輸了多少數(shù)據(jù)，即data transfers rate。這個數(shù)值一般是指物理層傳輸?shù)膔aw data。與有效數(shù)據(jù)帶寬之間，還需要考慮編碼方式和傳輸效率。

當(dāng)每次傳輸?shù)姆杺鬏斠晃粩?shù)據(jù)時，兩者是相等的。

反之，則兩者需要區(qū)別對待：

在PCIE Gen6的信號傳輸中，采用了PAM4的編碼方式，即每個符號傳輸兩位。因此后者就是前者的兩倍。這也引出了下一個問題：

在計算數(shù)據(jù)帶寬時，什么叫做波特率，什么叫做奈奎斯特頻率，什么叫做NRZ和PAM4編碼？

波特率：每秒信號變化的次數(shù)，一個信號變化，或稱為符號即symbol，一個符號可以攜帶一個或多個比特的信息。單位是波特，bd

奈奎斯特頻率：表示信道帶寬，按照奈奎斯特定理，波特率是信道帶寬的兩倍。

PCIE Gen5 到Gen6 從NRZ變?yōu)镻AM4，傳輸信道的loss保持一致，就是因為它們的波特率都是32Gb/s，且奈奎斯特頻率均為16GHz。

那么為什么 PCIE Gen6的數(shù)據(jù)傳輸速率可以翻倍？

首先來看一下兩種編碼方式的不同。

• PAM4：Pulse Amplitude Modulation 4-level

• NRZ：Non-Return-to-Zero

PAM4允許每個符號在單位周期內(nèi)傳輸?shù)男畔⒘渴荖RZ的兩倍，因此在同樣的比特率下，PAM4的波特率只有NRZ信號的一半。所以PAM4在信號傳輸通道中的信號損失會大大降低。

反過來說，如下圖，PCIE 6.0在同樣的奈奎斯特頻率下，傳輸速率翻倍。

PCIE 5.0

PCIE 6.0

Speed

32Gbps

64Gbps

Nyquist Freq

16GHz

16GHz

信號編碼

NRZ

PAM4

但是PAM4的眼高是NRZ的1/3，使得PAM4信號對于噪聲更加敏感，誤碼率更高，需要引入前向糾錯FEC機(jī)制來保障鏈路的BER。

• PAM4信號仿真及優(yōu)勢

在PAM-4信號傳輸時，諸如抖動、噪聲、信道丟失和符號間干擾(ISI)等會對正常傳輸?shù)膬?nèi)容產(chǎn)生影響。此外，PAM-4的接收器體系結(jié)構(gòu)為系統(tǒng)設(shè)計人員引入了很多新的概念，如：具有電壓閾值的Slicer輸出（用于確定已接收到的幅度電平）；單個Slicer skew，multi-tap反饋均衡，時鐘和數(shù)據(jù)恢復(fù)等對真實PAM4設(shè)計的影響都需要在仿真設(shè)計之時考慮進(jìn)去。

隨著信息技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的快速發(fā)展，網(wǎng)絡(luò)時代對信息的傳遞提出了更高的要求。PAM4信號技術(shù)以其較高的傳輸效率和較低的建設(shè)成本脫穎而出，成為了下一代高速信號互連的熱門信號傳輸技術(shù)。

傳輸效率高：首先，由于PAM4信號比傳統(tǒng)NRZ信號多了兩個電平信號進(jìn)行信號傳輸，在相同符號周期內(nèi)，PAM4信號的比特速率是NRZ信號的兩倍。因此，由于PAM4具備更高的傳輸效率，在相同碼率下，PAM4的波特率只有NRZ信號的一半，大大降低了信號在傳輸信道中的損耗。因此，在提高信號傳輸效率和降低信號傳輸損耗方面，PAM4具備更強(qiáng)的信號傳輸優(yōu)勢。

建設(shè)成本低：由于PAM4信號傳輸具有更高的比特速率，在5G承載網(wǎng)絡(luò)中，PAM4能夠在滿足更高傳送效率的同時使用更少且目前已成熟應(yīng)用的光器件，也不必增加光纖設(shè)備，大大降低了建設(shè)和研發(fā)成本。

• 為什么需要PAM4信號技術(shù)

根據(jù)市場研究機(jī)構(gòu)TeleGeography發(fā)布的最新報告顯示，全球帶寬市場仍處于大規(guī)模需求增長階段，這對現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施的信號傳輸能力提出了更高的要求，而傳統(tǒng)的NRZ信號在龐大的帶寬需求下遭遇了傳輸效率瓶頸，PAM4信號技術(shù)作為另一種較為成熟的信號傳輸技術(shù)，恰巧在信號傳輸效率方面彌補(bǔ)了NRZ信號的缺點，并在滿足日益增長的帶寬需求的同時，保持著較低的建設(shè)成本，成為了目前性價比最高的替換方案。

性價比高：對于光模塊來說，提高傳輸速率的方式體現(xiàn)在增加信號傳輸通道數(shù)量和提高單通道速率兩個方面，由于提高通道數(shù)量涉及到過高的建設(shè)成本，提高單通道速率成為了更優(yōu)解。PAM4以其更多的信號電平實現(xiàn)了單位時間內(nèi)單條通道更高的傳輸效率，在保證目前通道數(shù)量和現(xiàn)有光器件不變的情況下，通過升級光模塊內(nèi)部電芯片，可以將網(wǎng)絡(luò)接口速率提升到原來的二倍，而現(xiàn)有的配套網(wǎng)絡(luò)控制芯片（如X86芯片）和高端設(shè)備的板內(nèi)板間接口（如serdes接口）已具備了適配PAM4信號技術(shù)的處理能力。

技術(shù)成熟：實際上，早在IEEE協(xié)會于2014年頒布的針對100G背板的802.3bj標(biāo)準(zhǔn)里，就同時定義了兩種信號傳輸方式：4組25.78G波特率的NRZ信號，或者4組13.6G波特率的PAM4信號。只不過后來隨著芯片技術(shù)以及PCB板材和連接器技術(shù)的發(fā)展，25G波特率的NRZ技術(shù)很快實現(xiàn)商用應(yīng)用；而PAM4由于技術(shù)成熟度和成本的原因，并沒有在100G以太網(wǎng)的技術(shù)中被真正應(yīng)用。在新一代的200G/400G接口標(biāo)準(zhǔn)的制定過程中，普遍的訴求是每對差分線上的數(shù)據(jù)速率要提高到50Gbit/s以上。如果仍然采用NRZ技術(shù)，由于每個符號周期只有不到20ps，對于收發(fā)芯片以及傳輸鏈路的時間裕量要求更加苛刻，所以PAM4技術(shù)的采用幾乎成為了必然趨勢 。

以上是Keysight的測試方案

• PAM4信號應(yīng)用場景

在數(shù)據(jù)通信技術(shù)逐漸發(fā)展成熟的過程中，400G/800G光通信、PCIe 6.0、長距離數(shù)據(jù)中心互聯(lián)（如QSFP-DD/OSFP模塊）都是目前PAM4信號技術(shù)應(yīng)用的主要場景，現(xiàn)已成熟應(yīng)用于各類路由器和交換機(jī)產(chǎn)品中，如華為NetEngine8000 X系列、F系列、M系列、ATN系列路由器和CloudEngine 16800系列交換機(jī)等。以下圍繞具體的網(wǎng)絡(luò)場景，介紹了PAM4信號技術(shù)在各場景中的應(yīng)用。

面向5G移動承載網(wǎng)場景

5G網(wǎng)絡(luò)下對標(biāo)滿足的三大愿景：eMBB，uRLLC，mMTC都對承載網(wǎng)的帶寬提出了更高的要求。5G頻譜效率相比4G提升3～5倍，5G的頻譜寬度從100MHz起步，相比4G初期提升5倍，Sub6G的帶寬相比4G提升15倍～25倍。5G高頻頻譜可達(dá)800MHz以上，容量進(jìn)一步提升。按照Next Generation Mobile Networks的帶寬評估方法，5G承載的帶寬在Sub6G部署階段，承載網(wǎng)帶寬演進(jìn)到50GE/200GE，如圖1 承載網(wǎng)架構(gòu)圖所示。到高頻階段，端到端帶寬演進(jìn)到100GE/200GE/400GE。PAM4以其高效的信號傳輸優(yōu)勢，為以上高帶寬網(wǎng)絡(luò)的實現(xiàn)提供了技術(shù)支持。

圖1-2 承載網(wǎng)架構(gòu)圖

城域固定網(wǎng)絡(luò)場景

作為城市規(guī)模范圍內(nèi)的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，城域網(wǎng)負(fù)責(zé)城市內(nèi)不同地點的主機(jī)、數(shù)據(jù)庫，以及LAN的聯(lián)接，組成了集數(shù)據(jù)、語音、視頻服務(wù)于一體的高帶寬、多功能、多業(yè)務(wù)接入的多媒體通信網(wǎng)絡(luò)。其網(wǎng)絡(luò)接口的帶寬將直接影響整個城域網(wǎng)系統(tǒng)內(nèi)的網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)。PAM4信號傳輸技術(shù)可以幫助擴(kuò)容城域網(wǎng)包括核心層與匯聚層在內(nèi)的網(wǎng)絡(luò)接口，進(jìn)一步提高整個網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的信息傳輸效率，為城域網(wǎng)內(nèi)的各局域網(wǎng)和移動端提供了更高效便捷的網(wǎng)絡(luò)體驗，也為城域網(wǎng)體系下各通信業(yè)務(wù)的發(fā)展需求提供了帶寬保障。

當(dāng)前固定網(wǎng)絡(luò)的主流接口是10GE/40GE，隨著高清、4K、8K、VR/AR的高速發(fā)展，固定網(wǎng)絡(luò)很快將升級到50GE/200GE/400GE，如圖2 城域固定網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)圖所示。

圖1-3 城域固定網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)圖

數(shù)據(jù)中心DCI或DCN場景

數(shù)據(jù)中心DCI或DCN的工作也與交換機(jī)和路由器的運(yùn)行效率緊密相關(guān)，高性能的光模塊可以提升交換機(jī)與路由器的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換和傳輸能力，而在光模塊中應(yīng)用的PAM4編碼芯片可將二倍的NRZ信號轉(zhuǎn)化為PAM4信號，在壓縮信號占用空間的同時提高了交換機(jī)與路由器的信息處理量，更好地支持了網(wǎng)絡(luò)七層協(xié)議棧中第一層（物理層）、第二層（數(shù)據(jù)鏈路層）和第三層（網(wǎng)絡(luò)層）的功能網(wǎng)絡(luò)，從而進(jìn)一步賦能跨地域運(yùn)營、用戶接入、異地災(zāi)備等數(shù)據(jù)中心互聯(lián)場景。

數(shù)據(jù)中心高速發(fā)展，推動服務(wù)器以及DCN、DCI業(yè)務(wù)接口的快速升級，以50G PAM4為例，從當(dāng)前的10GE/40GE快速升級到50GE/200GE/400GE，如圖3 DCN架構(gòu)演進(jìn)示意圖所示。

圖1-4 DCN架構(gòu)演進(jìn)示意圖

• PAM4信號未來應(yīng)用場景

PAM4通過犧牲信噪比換取帶寬效率，適合長距離高速傳輸；NRZ則以魯棒性見長，適用于速率要求不高的場景。實際選擇需權(quán)衡速率、距離、功耗和系統(tǒng)復(fù)雜度。隨著數(shù)據(jù)速率向Tb/s演進(jìn)，PAM4成為長距離的主流選擇，但NRZ仍在低功耗、低成本場景中占優(yōu)。新興技術(shù)（如相干PAM4、PAM6/PAM8）可能進(jìn)一步突破容量限制。

近期活動

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2025江蘇鹽城東臺-800G高速銅纜供應(yīng)鏈行業(yè)技術(shù)研討會預(yù)告

高速互連技術(shù)正面臨單通道224Gbps向448Gbps演進(jìn)的關(guān)鍵節(jié)點。為應(yīng)對信號完整性、功率損耗及供應(yīng)鏈重組等核心挑戰(zhàn)，高速銅纜產(chǎn)業(yè)鏈亟需在材料、精密制造工藝及測試驗證體系等維度實現(xiàn)技術(shù)突破。本次9-5日與江蘇鹽城東臺舉辦的高頻高速時代之800G/1.6T產(chǎn)業(yè)鏈推進(jìn)技術(shù)研討峰會得到供應(yīng)鏈頭部企業(yè)的全力支持，我們再次誠邀行業(yè)同仁開展建設(shè)性對話，以技術(shù)創(chuàng)新為驅(qū)動，以產(chǎn)業(yè)升級為目標(biāo)，攜手構(gòu)建高速互連領(lǐng)域的技術(shù)生態(tài)體系。就高速互聯(lián)發(fā)展進(jìn)程中的技術(shù)瓶頸突破與產(chǎn)業(yè)鏈協(xié)同創(chuàng)新展開更多的深度探討。再次誠邀您報名出席為行業(yè)發(fā)展貢獻(xiàn)一份力量；歡迎掃下圖二維碼報名參會.

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