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SerDes PAM4 编码是现代高速串行通信（如 400G/800G 以太网、PCIe 6.0、GDDR7）中的关键技术。
PAM4（4级脉冲幅度调制）是一种信令编码，它允许 SerDes 在每个单位间隔内传输 2 个比特,从而在相同频率下将数据速率翻倍。
下面从核心原理、实现方式、编码映射以及优缺点四个维度为你深度解析。
核心原理
- 传统 NRZ：使用 2 个电平（0 和 1）表示 1 个比特，每 UI（单位间隔）传输 1 比特。
- PAM4：使用 4 个电平（通常记为 -3, -1, +1, +3 或 00, 01, 11, 10）表示 2 个比特，每 UI 传输 2 比特。
公式： 数据速率 = 波特率 × log2(电平数)
- NRZ：112 Gbps = 112 Gbaud
- PAM4：112 Gbps = 56 Gbaud （因为 log2(4) = 2）
PAM4 可以降低电路对极高波特率的要求，从而突破传统 NRZ 在 56Gbps 以上的物理极限。
编码映射与格雷码
PAM4 不仅仅是简单地给 4 个电平分配 2 个比特，为了降低误码率，通常使用格雷码（Gray Coding）。
为什么要用格雷码？ 相邻电平之间只变化 1 个比特，例如误判了一个电平（比如将 +1 误判为 -1），那么只会产生 1 个比特错误，而不是 2 个。
常见 PAM4 格雷码映射表：
| 电平 | 格雷码（MSB/LSB） | 含义解释 |
|---|---|---|
| +3 | 11 | 高位=1, 低位=1 |
| +1 | 10 | 高位=1, 低位=0 |
| -1 | 00 | 高位=0, 低位=0 |
| -3 | 01 | 高位=0, 低位=1 |
注意：你可能会看到不同的映射顺序（-3=00, -1=01, +1=11, +3=10），但核心原则是一致的：相邻电平只有一位不同。
深入：PAM4 与 SerDes 系统的结合
PAM4 并不是孤立工作的，它需要配合 SerDes 中的其他模块。
A. 发送端（TX）
- 前向纠错 (FEC)：由于 PAM4 信号信噪比本身比 NRZ 差（电平间距变小，通常比 NRZ 差约 9.5 dB），所以必须依赖强大的 FEC（如 RS-FEC）。PAM4 的灵魂是 FEC。
- 预编码/加重：针对信道损耗（如 PCB 走线、连接器）进行预补偿。
- DAC（数模转换器）：将数字 00,01,11,10 映射为对应的模拟电压电平。
- 输出驱动器：产生最终的 PAM4 波形。
B. 接收端（RX）
- 连续时间线性均衡器 (CTLE)：补偿信道带来的高频衰减。
- 判决反馈均衡器 (DFE)：消除码间串扰，PAM4 的 DFE 比 NRZ 复杂得多，因为需要追踪 3 个眼图。
- 时钟数据恢复 (CDR)：从 PAM4 信号中提取时钟，PAM4 的 CDR 需要处理“无跳变”的情况（数据连续相同）。
- ADC（模数转换器）+ DSP：现代 112Gbps 以上 PAM4 SerDes 几乎都是 ADC-DSP 架构，ADC 将模拟信号数字化，DSP 负责复杂的均衡和时钟恢复算法。
- 解码与去映射：将接收到的电平还原为 2 个比特（格雷码转二进制）。
PAM4 的三大挑战与解决方案
PAM4 并非完美,它也引入了几个核心难点：
| 挑战 | 原因 | 解决方案 |
|---|---|---|
| 信噪比 (SNR) 差 | PAM4 有 3 个眼图，每个眼的垂直张开度只有 NRZ 的 1/3，理论上信噪比比 NRZ 差约 9.5 dB。 | 强大的 FEC（前向纠错），2. 更好的通道设计，3. 先进的 DSP 均衡算法。 |
| 非线性 | 驱动器和信道对不同电平的响应可能不完全线性，导致眼图倾斜。 | 采用 TX 预失真 和 RX 非线性均衡。 |
| 时钟恢复困难 | 当数据连续跳变时，PAM4 的相位信息比 NRZ 少。 | 使用 相位检测器 和特殊的 CDR 环路 来处理电平跳变，数据编码时也要保证足够的跳变。 |
实际应用中的编码方案
在实际的芯片（如 400G/800G 以太网收发器）中，数据从 MAC 层到物理层会经过多层处理。
- RS-FEC（Reed-Solomon 前向纠错）：RS(544,514) 或 RS(560,514)，为每个数据块添加 30-46 个纠错符号。
- 数据加扰（Scrambling）：为了防止长串的 0 或 1 导致时钟丢失和直流偏移,输入数据会先经过线性反馈移位寄存器进行加扰。
- 码流转换：有时会将 64B/66B 编码转换为 256B/257B 编码，再将比特流分配给多个 PAM4 通道。
- PAM4 映射：将经过 FEC 和加扰的比特流,按照格雷码方式映射到电平上。
SerDes PAM4 编码 的本质是 “用电压分辨率换速度”。
- 核心公式：112Gbps PAM4 = 56Gbaud （而 NRZ 需要 112Gbaud）。
- 核心代价：信噪比下降约 9.5 dB，需要更复杂的均衡和 FEC。
- 未来趋势：下一代标准（如 1.6TbE）可能会转向 PAM6 或 PAM8 以进一步降低波特率。
对于你而言，理解 PAM4 的关键在于：它不是一个简单的 2-bit 映射，而是一个需要与 FEC、均衡、时钟恢复等技术深度耦合的系统工程。
