PAM4 信号技术，为何重要

2024-08-18 03:08

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来源：内容来自华为，作者黄鹤飞

前言

PAM4信号技术是一种采用4个不同的信号电平来进行信号传输的调制技术，比传统NRZ（Non-Return-to-Zero）信号多了两个电平，因此，在同样的波特率条件下，PAM4信号比特速率是NRZ信号的两倍，传输效率提高了一倍。随着5G网络的发展，不断扩大的带宽需求要求单位时间内传输更多的逻辑信息，PAM4信号技术以其较高的传输效率和较低的建设成本成为下一代高速信号互连的热门信号传输技术，并广泛应用于50G、单波100G、400G（非ZR）光模块，为各类5G企业网和运营商的网络场景赋能。

什么是PAM4信号技术？

PAM4（4-Level Pulse Amplitude Modulation）即四电平脉冲幅度调制，PAM4信号技术是一种采用4个不同的信号电平来进行信号传输的调制技术。作为下一代高速信号互连的热门信号传输技术，PAM4信号比传统NRZ（Non-Return-to-Zero）信号多了两个电平：NRZ信号采用高、低两种信号电平表示数字逻辑信号的1、0，每个周期可以传输1bit的逻辑信息；PAM4信号则采用4个不同的信号电平进行信号传输，即00、01、10、11，每个周期可以传输2bit的逻辑信息。因此，在相同符号周期内，PAM4信号的比特速率是NRZ信号的两倍。

为什么需要PAM4信号技术？

根据市场研究机构TeleGeography发布的最新报告显示，全球带宽市场仍处于大规模需求增长阶段，这对现有的网络技术和网络基础设施的信号传输能力提出了更高的要求，而传统的NRZ信号在庞大的带宽需求下遭遇了传输效率瓶颈，PAM4信号技术作为另一种较为成熟的信号传输技术，恰巧在信号传输效率方面弥补了NRZ信号的缺点，并在满足日益增长的带宽需求的同时，保持着较低的建设成本，成为了目前性价比最高的替换方案。

性价比高：对于光模块来说，提高传输速率的方式体现在增加信号传输通道数量和提高单通道速率两个方面，由于提高通道数量涉及到过高的建设成本，提高单通道速率成为了更优解。PAM4以其更多的信号电平实现了单位时间内单条通道更高的传输效率，在保证目前通道数量和现有光器件不变的情况下，通过升级光模块内部电芯片，可以将网络接口速率提升到原来的二倍，而现有的配套网络控制芯片（如X86芯片）和高端设备的板内板间接口（如serdes接口）已具备了适配PAM4信号技术的处理能力。

技术成熟：实际上，早在IEEE协会于2014年颁布的针对100G背板的802.3bj标准里，就同时定义了两种信号传输方式：4组25.78G波特率的NRZ信号，或者4组13.6G波特率的PAM4信号。只不过后来随着芯片技术以及PCB板材和连接器技术的发展，25G波特率的NRZ技术很快实现商用应用；而PAM4由于技术成熟度和成本的原因，并没有在100G以太网的技术中被真正应用。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50Gbit/s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信号技术有什么优势？

随着信息技术和网络技术的快速发展，网络时代对信息的传递提出了更高的要求。PAM4信号技术以其较高的传输效率和较低的建设成本脱颖而出，成为了下一代高速信号互连的热门信号传输技术。

传输效率高：首先，由于PAM4信号比传统NRZ信号多了两个电平信号进行信号传输，在相同符号周期内，PAM4信号的比特速率是NRZ信号的两倍。因此，由于PAM4具备更高的传输效率，在相同码率下，PAM4的波特率只有NRZ信号的一半，大大降低了信号在传输信道中的损耗。因此，在提高信号传输效率和降低信号传输损耗方面，PAM4具备更强的信号传输优势。

建设成本低：由于PAM4信号传输具有更高的比特速率，在5G承载网络中，PAM4能够在满足更高传送效率的同时使用更少且目前已成熟应用的光器件，也不必增加光纤设备，大大降低了建设和研发成本。

PAM4信号技术有什么劣势？

虽然PAM4比NRZ信号在同一周期内能够传递更多的逻辑信息，但通过二者的眼图可以看出，PAM4“眼睛”更小，因此更容易受到外界环境（尤其是噪声）的干扰。也正是因为这一不稳定性，PAM4信号在传输距离和散热方面面临着更大的挑战。

传输距离短：由于PAM4信号更容易受到外界环境的干扰，较长的传输距离会导致更高的误码率，因此在超过5km的传输距离时，需要放大器和FEC（Forward Error Correction，前向纠错器）等方式保证信号传输的稳定性和正确性。

设备热量负担大：和传统NRZ信号相比，PAM4信号在长距离传输中需要更多辅助设备保证信号传输的稳定性和正确性，因此会产生更多额外功率的消耗，由此造成链路两端的收发器产生更多的热量，因此需要注意搭配散热器的使用。

PAM4信号技术的应用场景

在数据通信技术逐渐发展成熟的过程中，50G、单波100G、400G（非ZR）光模块都是目前PAM4信号技术应用的典型器件，现已成熟应用于各类路由器和交换机产品中，如华为NetEngine8000 X系列、F系列、M系列、ATN系列路由器和CloudEngine 16800系列交换机等。以下围绕具体的网络场景，介绍了PAM4信号技术在各场景中的应用。

面向5G移动承载网场景

5G网络下对标满足的三大愿景：eMBB，uRLLC，mMTC都对承载网的带宽提出了更高的要求。5G频谱效率相比4G提升3～5倍，5G的频谱宽度从100MHz起步，相比4G初期提升5倍，Sub6G的带宽相比4G提升15倍～25倍。5G高频频谱可达800MHz以上，容量进一步提升。按照Next Generation Mobile Networks的带宽评估方法，5G承载的带宽在Sub6G部署阶段，承载网带宽演进到50GE/200GE，如图1 承载网架构图所示。到高频阶段，端到端带宽演进到100GE/200GE/400GE。PAM4以其高效的信号传输优势，为以上高带宽网络的实现提供了技术支持。

城域固定网络场景

作为城市规模范围内的网络系统，城域网负责城市内不同地点的主机、数据库，以及LAN的联接，组成了集数据、语音、视频服务于一体的高带宽、多功能、多业务接入的多媒体通信网络。其网络接口的带宽将直接影响整个城域网系统内的网络业务。PAM4信号传输技术可以帮助扩容城域网包括核心层与汇聚层在内的网络接口，进一步提高整个网络系统的信息传输效率，为城域网内的各局域网和移动端提供了更高效便捷的网络体验，也为城域网体系下各通信业务的发展需求提供了带宽保障。

当前固定网络的主流接口是10GE/40GE，随着高清、4K、8K、VR/AR的高速发展，固定网络很快将升级到50GE/200GE/400GE，如图2 城域固定网络架构图所示。

数据中心DCI或DCN场景

数据中心DCI或DCN的工作也与交换机和路由器的运行效率紧密相关，高性能的光模块可以提升交换机与路由器的数据转换和传输能力，而在光模块中应用的PAM4编码芯片可将二倍的NRZ信号转化为PAM4信号，在压缩信号占用空间的同时提高了交换机与路由器的信息处理量，更好地支持了网络七层协议栈中第一层（物理层）、第二层（数据链路层）和第三层（网络层）的功能网络，从而进一步赋能跨地域运营、用户接入、异地灾备等数据中心互联场景。

数据中心高速发展，推动服务器以及DCN、DCI业务接口的快速升级，以50G PAM4为例，从当前的10GE/40GE快速升级到50GE/200GE/400GE。