NRZ和PAM4

NRZ和PAM4对比

不归零码 (NRZ)，也称为2电平脉冲幅度调制 ，是一种使用低电平和高电平来表示数字逻辑信号的 1/0 信息的二进制代码。NRZ 在每个信号符号周期内只能传输 1 位信息，即 0 或 1。

在 NRZ 信令中，一个比特是一个符号，具有 0 或 1 这两个不同的幅度。符号以波特表示。NRZ 比特率等于其符号率，1Gbps 等于 1G 波特。

NRZ 信令

PAM-4 信令

脉冲幅度调制4级（PAM4）是一种用于传输信号的多级信号调制格式。每个信号电平可以代表2位逻辑信息。

在 PAM4 中，每个时钟周期可以发送四个不同的电压 0、1、2 或 3，分别对应 00、01、11 和 10。通过 NRZ 与 PAM4 的“字 1”，可以看到，在 PAM4 中，101100100100 的信号传输时间缩短了一半。

在标准线性 PAM-4 信令中，可以同时发生两种转换。这些转换可能导致每个符号出现两比特错误。如果将标准 PAM-4 信令转换为格雷码，则其误码率将降低到每符号一位，并将整体误码率降低一半（图 3）。

采用格雷码的 PAM-4 信令

数据速率升高，信道损耗就会增加，并且相同的信道技术可能无法用于实现更高的吞吐量。由于 PAM-4 的波特率为 NRZ 信号的一半，因此在相同比特率下信道损耗较低。NRZ 中的奈奎斯特频率对应 PAM-4 信号中的比特率的四分之一，是比特率（即，比特/秒）的一半。

在下图中，56G NRZ（奈奎斯特频率为 28 GHz）的损耗超过 60 dB，相比之下，在 14 GHz 时损耗约为 30 dB，此时同一信道上共有 56G 的 PAM-4 信令。PAM-4 的这一关键优势支持以更高的比特率使用现有通道和互连，而无需将波特率加倍并增加信道损耗。

从 NRZ 转换为 PAM-4

然而，PAM-4 并不普遍保证能使用传统信道设计，因为串扰、回波损耗和非线性等信道损伤对 PAM-4 信号的影响较大，需要加以解决。

PAM4设计难点

信道损伤的影响：抖动和噪声

与 NRZ 的两个电压级相比，PAM-4 具有四个电压级，导致 12 种不同的信号转换（六次上升和六次下降），产生三个区域眼图开度，如下图所示。每个眼高为 NRZ 眼高的 1/3，致使 PAM-4 信噪比 (SNR) 降低 9.5 dB 以上，这会影响高速信令的信号质量并带来额外的约束。垂直眼图开度减小 33％ 会降低 PAM-4 中信号的串扰和反射容差，从而导致更高的误码率。

NRZ 与 PAM4 信号转换及眼图开度的比较

同样，在 PAM-4 中的四个电压级之间切换必然会引发转换抖动，这是确定性抖动的一种形式，会将信号的眼宽减至 NRZ 的 2/3 到 1/2。

非线性也会改变信号眼高，显著影响误码率性能。误码率主要受确定性抖动和噪声的影响。

信道损伤对 PAM-4 中的三处眼图中每一处都有不同的影响，要求每处眼图都有自己的专用数据、错误和信号交叉检测器组合。PAM-4 中的所有三处眼图都不对称，每一处都需要分别进行均衡。

由于 NRZ 信令不足， PAM-4 能够以波特率的一半实现更高的比特率，因此设计人员可以继续以有望使用现有信道达到 400G 的以太网数据速率。PAM-4 信令对诸如串扰和非线性之类的信道损伤更加敏感，这一问题需要在设计实现中予以解决。  

关于PAM4仿真以后分享。

https://www.synopsys.com/zh-cn/designware-ip/technical-bulletin/pam4-400g-ethernet.html