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前言

PAM4信號技術(shù)是一種采用4個不同的信號電平來進行信號傳輸?shù)恼{(diào)制技術(shù)，比傳統(tǒng)NRZ信號多了兩個電平，因此，在同樣的波特率條件下，PAM4信號比特速率是NRZ信號的兩倍，傳輸效率提高了一倍。隨著5G網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展，不斷擴大的帶寬需求要求單位時間內(nèi)傳輸更多的邏輯信息，PAM4信號技術(shù)以其較高的傳輸效率和較低的建設(shè)成本成為下一代高速信號互連的熱門信號傳輸技術(shù)，并廣泛應(yīng)用于50G、單波100G、400G(非ZR)光模塊，為各類5G企業(yè)網(wǎng)和運營商的網(wǎng)絡(luò)場景賦能。

什么是PAM4信號技術(shù)？

PAM4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。

為什么需要PAM4信號技術(shù)？

根據(jù)市場研究機構(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標準里，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接口標準的制定過程中，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 。

PAM4信號技術(shù)有什么優(yōu)勢？

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。

PAM4信號技術(shù)有什么劣勢？

雖然PAM4比NRZ信號在同一周期內(nèi)能夠傳遞更多的邏輯信息，但通過二者的眼圖可以看出，PAM4“眼睛”更小，因此更容易受到外界環(huán)境的干擾。也正是因為這一不穩(wěn)定性，PAM4信號在傳輸距離和散熱方面面臨著更大的挑戰(zhàn)。

傳輸距離短:由于PAM4信號更容易受到外界環(huán)境的干擾，較長的傳輸距離會導致更高的誤碼率，因此在超過5km的傳輸距離時，需要放大器和FEC等方式保證信號傳輸?shù)姆€(wěn)定性和正確性。

設(shè)備熱量負擔大 :和傳統(tǒng)NRZ信號相比，PAM4信號在長距離傳輸中需要更多輔助設(shè)備保證信號傳輸?shù)姆€(wěn)定性和正確性，因此會產(chǎn)生更多額外功率的消耗，由此造成鏈路兩端的收發(fā)器產(chǎn)生更多的熱量，因此需要注意搭配散熱器的使用。

PAM4信號技術(shù)的應(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，50G、單波100G、400G光模塊都是目前PAM4信號技術(shù)應(yīng)用的典型器件，現(xiàn)已成熟應(yīng)用于各類路由器和交換機產(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800MHz以上，容量進一步提升。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。

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)負責城市內(nèi)不同地點的主機、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。

數(shù)據(jù)中心DCI或DCN場景

數(shù)據(jù)中心DCI或DCN的工作也與交換機和路由器的運行效率緊密相關(guān)，高性能的光模塊可以提升交換機與路由器的數(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、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)，從而進一步賦能跨地域運營、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，從當前的10GE/40GE快速升級到50GE/200GE/400GE。

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