NRZ vs. PAM4：高速光模块中的信号调制技术之争‌

在光通信领域，随着数据传输速率从100G向400G、800G甚至1.6T演进，传统的非归零码（NRZ）调制技术逐渐面临带宽和效率的瓶颈。而四电平脉冲幅度调制（PAM4）作为一种高阶调制方案，凭借其频谱效率优势，成为高速光模块设计的核心技术。本文将从原理、性能和应用场景出发，解析两者的差异与取舍。

一、信号调制原理对比

1、NRZ（Non-Return-to-Zero）

基本原理：每个符号周期（Symbol）传输1 bit数据，通过两种电平（高电平“1”和低电平“0”）表示二进制信息。

典型波形：方波信号，具有清晰的0/1判决门限。

特点：实现简单、误码率低，但频谱效率仅为1 bit/symbol。

2、PAM4（4-Level Pulse Amplitude Modulation）

基本原理：每个符号周期传输2 bit数据，通过4个电平（00、01、10、11）编码信息，大幅提升单位符号的数据容量。

典型波形：多电平阶梯状信号，需更复杂的信号处理技术。

特点：频谱效率翻倍（2 bit/symbol），但信号完整性要求更高。

二、核心性能指标对比

三、应用场景与行业趋势

1、NRZ的适用场景

低速率传输：100G及以下光模块（如100G SR4、LR4）。

长距离传输：对信号衰减敏感的场景（如城域网、骨干网）。

成本敏感场景：对功耗和复杂度要求较低的应用。

2、PAM4的崛起与优势

高速率需求：400G/800G光模块（如400G DR4、FR4）的标配技术。

短距数据中心互联：通过提升频谱效率，减少光纤和通道数量。

行业标准支持：被IEEE 802.3bs（400G）、OIF CEI-56G等标准广泛采用。

3、技术挑战与解决方案

信号完整性：PAM4需配合前向纠错（FEC）、预加重/均衡等技术补偿噪声和码间干扰。

芯片集成化：采用高性能DSP和先进CMOS工艺（如7nm/5nm）降低功耗和成本。

四、未来展望

随着数据中心对带宽需求的指数级增长，PAM4已成为400G及以上光模块的主流方案。然而，NRZ凭借其成熟性和低误码率，在中低速率场景中仍不可替代。未来，更高阶调制技术（如PAM8）或相干传输可能进一步突破容量极限，但在短期内，NRZ与PAM4的互补格局仍将持续。

五、结语

选择NRZ还是PAM4？答案取决于应用场景的速率、距离、成本和功耗要求。对于飞宇光模块设计工程师而言，理解两者的差异是优化系统性能的关键。在高速化与低时延的驱动下，PAM4正在书写光通信的新篇章，而NRZ则继续守护着传统领域的稳定与可靠。