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前言
PAM4信號技術是一種采用4個不同的信號電平來進行信號傳輸的調制技術，比傳統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網絡的發展，不斷擴大的帶寬需求要求單位時間內傳輸更多的邏輯信息，PAM4信號技術以其較高的傳輸效率和較低的建設成本成為下一代高速信號互連的熱門信號傳輸技術，并廣泛應用于50G、單波100G、400G(非ZR)光模塊，為各類5G企業網和運營商的網絡場景賦能。
什么是PAM4信號技術？
PAM4即四電平脈沖幅度調制，PAM4信號技術是一種采用4個不同的信號電平來進行信號傳輸的調制技術。作為下一代高速信號互連的熱門信號傳輸技術，PAM4信號比傳統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，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？
根據市場研究機構TeleGeography發布的最新報告顯示，全球帶寬市場仍處于大規模需求增長階段，這對現有的網絡技術和網絡基礎設施的信號傳輸能力提出了更高的要求，而傳統的NRZ信號在龐大的帶寬需求下遭遇了傳輸效率瓶頸，PAM4信號技術作為另一種較為成熟的信號傳輸技術，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在增加信號傳輸通道數量和提高單通道速率兩個方面，由于提高通道數量涉及到過高的建設成本，提高單通道速率成為了更優解。PAM4以其更多的信號電平實現了單位時間內單條通道更高的傳輸效率，在保證目前通道數量和現有光器件不變的情況下，通過升級光模塊內部電芯片，可以將網絡接口速率提升到原來的二倍，而現有的配套網絡控制芯片和高端設備的板內板間接口(如serdes接口)已具備了適配PAM4信號技術的處理能力。
技術成熟:實際上，早在IEEE協會于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以及PCB板材和連接器技術的發展，25G波特率的NRZ技術很快實現商用應用；而PAM4由于技術成熟度和成本的原因，并沒有在100G以太網的技術中被真正應用。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據速率要提高到50Gbit/s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信號技術有什么優勢？
隨著信息技術和網絡技術的快速發展，網絡時代對信息的傳遞提出了更高的要求。PAM4信號技術以其較高的傳輸效率和較低的建設成本脫穎而出，成為了下一代高速信號互連的熱門信號傳輸技術。
傳輸效率高:首先，由于PAM4信號比傳統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，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勢。
建設成本低:由于PAM4信號傳輸具有更高的比特速率，在5G承載網絡中，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用的光器件，也不必增加光纖設備，大大降低了建設和研發成本。
PAM4信號技術有什么劣勢？
雖然PAM4比NRZ信號在同一周期內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境的干擾。也正是因為這一不穩定性，PAM4信號在傳輸距離和散熱方面面臨著更大的挑戰。
傳輸距離短:由于PAM4信號更容易受到外界環境的干擾，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的穩定性和正確性。
設備熱量負擔大 :和傳統NRZ信號相比，PAM4信號在長距離傳輸中需要更多輔助設備保證信號傳輸的穩定性和正確性，因此會產生更多額外功率的消耗，由此造成鏈路兩端的收發器產生更多的熱量，因此需要注意搭配散熱器的使用。
PAM4信號技術的應用場景
在數據通信技術逐漸發展成熟的過程中，50G、單波100G、400G光模塊都是目前PAM4信號技術應用的典型器件，現已成熟應用于各類路由器和交換機產品中，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。以下圍繞具體的網絡場景，介紹了PAM4信號技術在各場景中的應用。
面向5G移動承載網場景
5G網絡下對標滿足的三大愿景:eMBB，uRLLC，mMTC都對承載網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，承載網帶寬演進到50GE/200GE，如圖1 承載網架構圖所示。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勢，為以上高帶寬網絡的實現提供了技術支持。
城域固定網絡場景
作為城市規模范圍內的網絡系統，城域網負責城市內不同地點的主機、數據庫，以及LAN的聯接，組成了集數據、語音、視頻服務于一體的高帶寬、多功能、多業務接入的多媒體通信網絡。其網絡接口的帶寬將直接影響整個城域網系統內的網絡業務。PAM4信號傳輸技術可以幫助擴容城域網包括核心層與匯聚層在內的網絡接口，進一步提高整個網絡系統的信息傳輸效率，為城域網內的各局域網和移動端提供了更高效便捷的網絡體驗，也為城域網體系下各通信業務的發展需求提供了帶寬保障。
當前固定網絡的主流接口是10GE/40GE，隨著高清、4K、8K、VR/AR的高速發展，固定網絡很快將升級到50GE/200GE/400GE，如圖2 城域固定網絡架構圖所示。
數據中心DCI或DCN場景
數據中心DCI或DCN的工作也與交換機和路由器的運行效率緊密相關，高性能的光模塊可以提升交換機與路由器的數據轉換和傳輸能力，而在光模塊中應用的PAM4編碼芯片可將二倍的NRZ信號轉化為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，更好地支持了網絡七層協議棧中第一層、第二層(數據鏈路層)和第三層(網絡層)的功能網絡，從而進一步賦能跨地域運營、用戶接入、異地災備等數據中心互聯場景。
數據中心高速發展，推動服務器以及DCN、DCI業務接口的快速升級，以50G PAM4為例，從當前的10GE/40GE快速升級到50GE/200GE/400GE。
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