一分鐘了解下一代數據中心高速信號互聯技術PAM4

chaser12

什么是PAM4?

PAM4 (4-Level Pulse Amplitude Modulation, 四電平脈沖幅度調制), 是PAM調制技術的一種，其采用4個不同的信號電平來進行信號傳輸，每個符號周期可以表示2個bit的邏輯信息(0,1,2,3), 也就是一個單位時間內是四個電平。

提到PAM4信號傳輸技術，就不得不提NRZ(Non-return-to-zero)信號傳輸技術, NRZ信號傳輸技術是傳統的數字信號采用最多的，即采用高，低兩種信號電平來表示要傳輸的數字邏輯信號的1/0信息，每個信號符號周期可以傳輸1bit的邏輯信息。

下圖是典型的PAM4與NRZ的信號波形及眼圖對比。

與NRZ相比, PAM4具有4種數字幅度電平,每個電平或符碼都包含兩個信息bit, 在相同的波特率下，吞吐量是NRZ的兩倍。

為什么需要PAM4?

網絡時代的快速發展，帶來了更高網絡傳輸速率的需求。

一般提升光通信傳輸速率有三種方式：

▶ 提高調制速率

▶ 增加WDM信道數目

▶ 增加電平數目

1. PAM4技術可以有效提升帶寬利用效率，同時PAM4采用高階調制格式，就是一個有效的方式來降低光學器件的采用數量，降低對光學器件性能的要求以及在不同應用場合的性能，成本，功耗以及密度之間達到一個平衡。

2. 大數據和云計算的到來，流量的增長，迫切需要一個更復雜的調制方式,PAM4是更高效的調制技術。

3. 在新一代的200G/400G接口標準的制定過程中，普遍的訴求是每對差分線上的數據速率要提高到50Gbps以上。如果仍然采用NRZ技術，由于每個符號周期只有不到20ps, 對于收發芯片以及傳輸鏈路的時間裕量要求更加苛刻，所以PAM4技術的采用幾乎成為了必然趨勢 。

PAM4調制的實現基礎

一般實現PAM4調制的技術分為兩類，分別是基于DSP的數字DAC實現方法或者是基于模擬的Combine方法。

主流的模擬方式是基于MSB+LSB Combiner來實現PAM4信號，有兩路NRZ信號進行相加操作。

主流的數字方式是基于高速DAC的方式進行0/1/2/3電平的快速輸出。

在此同時，PAM4與NRZ相比，在設計測試過程中其面臨的挑戰也不容忽視。

PAM4面臨的挑戰

• PAM4信號有16種切換狀態，中間眼圖對稱,而上和下的眼圖不對稱。如果是光眼圖的話，光器件的線性度很差，或者激光器的驅動線性度很差, PAM4的上和下眼圖很容易變形，變形就會容易誤判，測試的參數，比如jitter, 眼寬, 眼高就不準確。
• PAM4信號雖然降低了信號的符號率，但10dB以上的通道損耗還是會使得接收端信號眼圖完全閉合，因此，對于PAM4信號，發送端的預加重和接收端的信號均衡也很重要。
• 相對于NRZ調制，PAM4調制的信噪比SNR會減小9.6dB, 因此在大多數情況下, PAM4系統（不使能FEC的情況下）不會無誤碼運行: BER=ERFC(SQRT(SNR)).
  

在絕大多數PAM4的場景，系統不可能會有無誤碼運行的情況。IEEE802.3 規定了PAM4系統的FEC糾錯前BER指標。

目前DSP方案的產品實際FEC糾錯前BER<1E-7,

目前模擬方案的產品實際FEC糾錯前BER<1E-6, 實際上，保證不出現大塊誤碼的要求要優先于BER參數。

PAM4信號作為下一代數據中心中高速信號互連的熱門信號傳輸技術，被廣泛應用于200G/400G接口的電信號或光信號傳輸。對于以上挑戰，易飛揚擁有業內一流的研發團隊，已經攻克PAM4調制的信號完整性設計難題，易飛揚PAM4系列200G/400G產品包括200G QSFP56 SR4/AOC, 200G QSFP56 FR4, 400G QSFP56 DD SR8/AOC等。

易飛揚所有PAM4產品從解決方案上可以分成兩類：

數字類PAM4產品 – DSP方案

DSP可以支持各種復雜高效率的調制方式。電口適配能力強，光電性能好。

模擬類PAM4產品–模擬CDR

模擬類PAM4產品–模擬CDR, 功耗低、成本低。

易飛揚始終秉持創新理念，創新工藝，攻堅克難，在下一代數據中心產品的研發上投入了大量人力資源和物力資源，志在為下一代數據中心的發展提供行之有效的解決方案。更多詳情，請訪問易飛揚官網：https://www.gigalight.com/cn/