摘要前言

在本系列兩篇文章的第一篇中Samtec漫談 | 電氣領(lǐng)域中的以小搏大/上篇，我們探討了如何利用物理原理實現(xiàn)“以小博大”。但傳輸電能只是其中一部分，數(shù)據(jù)的重要性同樣不容小覷。

如今各類系統(tǒng)對數(shù)據(jù)量的需求呈無上限增長趨勢，那么在數(shù)據(jù)領(lǐng)域，是否也能找到 “以小博大” 的方法呢？

對數(shù)據(jù)的需求永無止境

與電能不同，數(shù)據(jù)傳輸并不依賴更高的電能，而是更看重電能的利用方式。現(xiàn)代通信基于兩種狀態(tài)的差異——即數(shù)字計算中常說的 “1” 和 “0”。在將這類信息從一處傳輸?shù)搅硪惶帟r，設(shè)計師會采用“不歸零碼（non-return-to-zero，簡稱 NRZ）” 的方式。

該方式通過兩種電壓水平的差異來傳輸1個比特的信息。“不歸零” 的含義是，系統(tǒng)在傳輸相鄰比特時，不會恢復(fù)到中性電壓狀態(tài)，而是連續(xù)不斷地逐比特傳輸。

在理想情況下，發(fā)射器會生成方波來區(qū)分兩種電壓水平，這些方波（及對應(yīng)的數(shù)據(jù)）能完好無損地到達接收器。脈沖長度可以無限縮短，唯一的限制是發(fā)射器在兩種電壓間切換的速度。但在現(xiàn)實中，有諸多因素會限制傳輸速度。

首先，兩種電壓間的切換并非瞬時完成。盡管切換所需時間極短（通常在萬億分之一秒級別），但現(xiàn)代系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸速率已達每秒千兆比特（Gbps）。這意味著，即便電壓上升時間微乎其微，仍會對傳輸造成顯著影響。電壓切換速度決定了數(shù)據(jù)傳輸?shù)纳舷蓿?a href="http://m.makelele.cn/v/tag/207/" target="_blank">芯片制造商不斷研發(fā)更新、更快的設(shè)備以提升數(shù)據(jù)傳輸能力，但數(shù)據(jù)需求的增長速度始終更快。

我們再次面臨物理定律的制約（別忘了，我們無法改變物理定律）。所有電纜都存在電阻，即便電流很小，電阻仍會導(dǎo)致高速信號衰減。若信號到達接收端時，兩種電壓的差異已變得模糊，接收器便難以識別其中的區(qū)別。

高速信號的特性

高速信號的特殊特性會進一步加劇這一問題。與傳統(tǒng)直流電不同，高頻信號往往會向?qū)w表面聚集，這種現(xiàn)象被稱為“趨膚效應(yīng)（skin effect）”。

趨膚效應(yīng)會使信號實際占用的導(dǎo)體橫截面積縮小，進而導(dǎo)致電阻增大。

信號頻率越高，趨膚效應(yīng)越明顯。

因此，通過單根電纜傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量存在上限。由于數(shù)據(jù)速率與電壓或電流無關(guān)，我們無法通過“調(diào)高旋鈕” 的方式來提升數(shù)據(jù)流量：提高頻率反而會引發(fā)新的問題。那么，如何才能 “以小搏大”？如何提升通過電纜和連接器的數(shù)據(jù)速率？

增加電纜數(shù)量或許是一種解決方案，但這顯然與“以少求多” 的目標相悖。更多的電纜意味著更重的重量，這又會讓我們回到前文討論的重量問題上。

脈沖幅度調(diào)制PAM

不妨從信號本身入手思考：系統(tǒng)通過兩種電壓的差異傳輸數(shù)字信息。只要信號鏈調(diào)試得當(dāng)，接收器就能識別這種差異，并將其解讀為一串“1” 和 “0”。

但如果接收器的作用只是識別不同電壓水平，那我們是否只能局限于兩種電壓呢？若接收器能區(qū)分四種電壓水平，會產(chǎn)生什么結(jié)果？

若能實現(xiàn)這一點，我們便可在不提高信號頻率的前提下，將信息傳輸量提升一倍。這正是“脈沖幅度調(diào)制（Pulse Amplitude Modulation，簡稱 PAM）”的核心原理，其中 “PAM4” 特指采用四種電壓水平的調(diào)制方式。

只要信號鏈能保持數(shù)據(jù)的穩(wěn)定傳輸，利用這四種電壓水平，就能同時傳輸2個比特的信息。

眼圖可直觀展示NRZ與PAM4傳輸?shù)碾妷核剑瑥闹心芮逦吹?PAM4 如何實現(xiàn) “以小搏大”——其信息傳輸量是NRZ的兩倍。眼圖中的空白區(qū)域（即 “眼睛”）代表信號的完整性。

若你曾在Samtec的展會的展臺上見過眼圖，便能理解其展示邏輯：眼圖會呈現(xiàn)接收器端的電壓情況，通過圖像可判斷信號質(zhì)量。

NRZ 信號的眼圖中有兩條水平線，分別代表兩種電壓水平，曲線部分則是電壓在兩種水平間的切換過程。只要中間的 “眼睛” 區(qū)域呈深色，就說明信號接收狀態(tài)良好。

PAM4 的眼圖與之類似，但會顯示四種電壓水平而非兩種。同樣，只要空白區(qū)域呈深色，就表明信號完整性達標。

因此，采用PAM4技術(shù)可在不提高信號頻率的前提下，將信息傳輸量提升一倍。盡管對于單條鏈路而言，我們尚未完全實現(xiàn) “以小博大”，仍需使用相同數(shù)量的電纜和連接器，但我們有兩種優(yōu)化方向：要么通過現(xiàn)有基礎(chǔ)設(shè)施傳輸兩倍的數(shù)據(jù)量，要么用更少的電纜傳輸與原先等量的數(shù)據(jù)。無論哪種方式，都能提升 PAM4 系統(tǒng)的性能。

但事情真的這么簡單嗎？答案是否定的。設(shè)計PAM4系統(tǒng)需要更加關(guān)注信號完整性，以確保信息完好傳輸；同時，系統(tǒng)中的有源部件（發(fā)射器和接收器）也需具備更高性能，成本相應(yīng)也會增加。

小 結(jié)

由此可見，PAM4是實現(xiàn) “以小搏大” 的理想工具，但需要投入更多研發(fā)工作。對于部分應(yīng)用場景，傳統(tǒng)的NRZ傳輸仍適用，且由于其受高速信號相關(guān)的信號完整性問題影響較小，穩(wěn)定性可能更優(yōu)。

但對于設(shè)計目標為224 Gbps及更高速率的系統(tǒng)而言，PAM4是不可或缺的技術(shù)。若你想深入了解PAM4及其在信號完整性中的重要作用，可聯(lián)系我們的信號完整性中心。那里的Samtec工程師們正夜以繼日地在線上和線下同時努力著~

請持續(xù)關(guān)注Samtec這只老虎吧。