一分钟了解下一代数据中心高速信号互联技术 PAM4

文章导览

什么是PAM4?

为什么需要PAM4?

PAM4调制的实现基础

PAM4面临的挑战

什么是PAM4?

PAM4 (4-Level Pulse Amplitude Modulation, 四电平脉冲幅度调制), 是PAM调制技术的一种，其采用4个不同的信号电平来进行信号传输，每个符号周期可以表示2个bit的逻辑信息(0,1,2,3), 也就是一个单位时间内是四个电平。

提到PAM4信号传输技术，就不得不提NRZ(Non-return-to-zero)信号传输技术, NRZ信号传输技术是传统的数字信号采用最多的，即采用高，低两种信号电平来表示要传输的数字逻辑信号的1/0信息，每个信号符号周期可以传输1bit的逻辑信息。

下图是典型的PAM4与NRZ的信号波形及眼图对比。

与NRZ相比, PAM4具有4种数字幅度电平,每个电平或符码都包含两个信息bit, 在相同的波特率下，吞吐量是NRZ的两倍。

为什么需要PAM4?

网络时代的快速发展，带来了更高网络传输速率的需求。

一般提升光通信传输速率有三种方式：

▶ 提高调制速率

▶ 增加WDM信道数目

▶ 增加电平数目

1. PAM4技术可以有效提升带宽利用效率，同时PAM4采用高阶调制格式，就是一个有效的方式来降低光学器件的采用数量，降低对光学器件性能的要求以及在不同应用场合的性能，成本，功耗以及密度之间达到一个平衡。

2. 大数据和云计算的到来，流量的增长，迫切需要一个更复杂的调制方式,PAM4是更高效的调制技术。

3. 在新一代的200G/400G接口标准的制定过程中，普遍的诉求是每对差分线上的数据速率要提高到50Gbps以上。如果仍然采用NRZ技术，由于每个符号周期只有不到20ps, 对于收发芯片以及传输链路的时间裕量要求更加苛刻，所以PAM4技术的采用几乎成为了必然趋势 。

PAM4调制的实现基础

一般实现PAM4调制的技术分为两类，分别是基于DSP的数字DAC实现方法或者是基于模拟的Combine方法。

主流的模拟方式是基于MSB+LSB Combiner来实现PAM4信号，有两路NRZ信号进行相加操作。

主流的数字方式是基于高速DAC的方式进行0/1/2/3电平的快速输出。

在此同时，PAM4与NRZ相比，在设计测试过程中其面临的挑战也不容忽视。

PAM4面临的挑战

1

PAM4信号有16种切换状态，中间眼图对称,而上和下的眼图不对称。如果是光眼图的话，光器件的线性度很差，或者激光器的驱动线性度很差, PAM4的上和下眼图很容易变形，变形就会容易误判，测试的参数，比如jitter, 眼宽, 眼高就不准确。

2

PAM4信号虽然降低了信号的符号率，但10dB以上的通道损耗还是会使得接收端信号眼图完全闭合，因此，对于PAM4信号，发送端的预加重和接收端的信号均衡也很重要。

3

相对于NRZ调制，PAM4调制的信噪比SNR会减小9.6dB, 因此在大多数情况下, PAM4系统（不使能FEC的情况下）不会无误码运行: BER=ERFC(SQRT(SNR)).

在绝大多数PAM4的场景，系统不可能会有无误码运行的情况。IEEE802.3 规定了PAM4系统的FEC纠错前BER指标。

目前DSP方案的产品实际FEC纠错前BER

目前模拟方案的产品实际FEC纠错前BER

PAM4信号作为下一代数据中心中高速信号互连的热门信号传输技术，被广泛应用于200G/400G接口的电信号或光信号传输。对于以上挑战，易飞扬拥有业内一流的研发团队，已经攻克PAM4调制的信号完整性设计难题，易飞扬PAM4系列200G/400G产品包括200G QSFP56 SR4/AOC, 200G QSFP56 FR4, 400G QSFP56 DD SR8/AOC等。

易飞扬所有PAM4产品从解决方案上可以分成两类：

数字类PAM4产品 – DSP方案

DSP可以支持各种复杂高效率的调制方式。电口适配能力强，光电性能好。

模拟类PAM4产品–模拟CDR

模拟类PAM4产品–模拟CDR, 功耗低、成本低。

易飞扬始终秉持创新理念，创新工艺，攻坚克难，在下一代数据中心产品的研发上投入了大量人力资源和物力资源，志在为下一代数据中心的发展提供行之有效的解决方案。