PAM4相比NRZ优势在哪 为什么5G需要PAM4

导读

上世纪90年代2G时代开启，2000年3G网络崛起，2014年4G技术到来，2019年5G正式渗入你我的生活。5G，作为一个崭新的起点，未来可能成为万物互联的智能世界!

如果说20世纪是电的世纪，那么21世纪就是光的世纪。电在上个世纪解决了动力的传输问题，现在，我们需要利用光实现信息的高效传输。面对爆发式增长的数据量，市场对数据通信的带宽需求也水涨船高。为了同时满足传输效率、功耗、成本等因素，利用光波作为传输介质的光互连技术成为当前以及未来主流的实现中长距离数据通信的技术方向。

从NRZ到PAM4

说起光通信领域的重要技术，不得不提NRZ和PAM4。其中，NRZ(Non-Return-to-Zero)即不归零编码，它采用NRZ编码的信号，使用高、低两种信号电平来表示传输信息的数字逻辑信号。NRZ有单极性不归零码和双极性不归零码两种数字信号的基带传输方式。

PAM4是继NRZ之后热门的信号传输技术。PAM4(4PulseAmplitudeModulation)即四电平脉冲幅度调制，它是一种采用4个不同的信号电平来进行信号传输的调制技术，当前已被广泛应用在高速信号互连领域。

PAM4相比NRZ优势在哪?

当传输速率在28Gbps时，不少业内人士就已经认识到了NRZ对信号能量损耗的问题，也提出了用PAM4格式来传输。但由于NRZ依然能在大体上满足28Gbps的应用，并且从NRZ迁移到PAM4还需要得到相应芯片及测试系统的支持，成本也会相应升高。因此，PAM4在当时进展并不快。

随着传输速率提升到了56Gbps，NRZ对于信号的损耗也达到了无法忽视的程度，这迫切需要采用更高阶的调制技术来弥补诸多不足，业界对于PAM4的呼声也越来越高。

对比这两项技术，NRZ信号采用高、低两种信号电平表示数字逻辑信号的1、0，每个时钟周期可以传输1bit的逻辑信息。PAM4的信号则采用4个不同的信号电平进行信号传输，每个时钟周期可以传输2bit的逻辑信息，即00、01、10、11。因此，在同样的波特率条件下，PAM4信号比特速率是NRZ信号的2倍，令传输效率提高一倍。

如果光信号也能够采用PAM4来传输，在光模块内部进行电光转换时，则可以直接实现PAM4信号的时钟恢复以及预加重等处理，免去了先将PAM4信号转化成2倍波特率的NRZ信号再进行相关处理的多余环节，进而可以节省芯片设计成本。得益于PAM4带来的利好条件，IEEE以太网标准组802.3已确定在400Gbps/200Gbps/50Gbps接口中的物理层采用PAM4编码技术。

为什么5G需要PAM4?

5G网络一个最重要的目标就是对大带宽应用的支持，例如在线观看4K甚至8K以上的视频，以及诸如像VR/AR需要高速、低延时的应用。这些对终端用户的体验改变可能只是看得更清楚或者手机里多了几个APP，但是在整体网络环境上却意味着一次大幅度的升级。

比如，5G频谱宽度要从100MHz起步，相比4G初期提升了5倍，到达Sub6G频率阶段将会比4G提升15至25倍，从网络的承载容量上来看，预计也将会有2至3个数量级的提升。

然而，信号传输时必然伴随着能量损耗的问题。如今5G网络在各方面参数都要提升数倍，在损耗率不变的情况下，也意味着能量损耗也会成比例增加。所以提升的前提首先要“止损”，就好比我们要给一个池子灌满水，如果一边灌一边漏，那么很多工作便成了无用功。

前面提到，由于PAM4信号每个符号周期可以传输2bit的信息，因此要实现同样的信号传输能力，PAM4信号的符号速率只需要达到NRZ信号的一半即可。

以单通道50GPAM4即50GE光模块为例，在发射方向，首先PAM4编码芯片会将2×25G NRZ信号转换为1×25GBaud PAM4信号，然后由激光器驱动芯片将PAM4信号放大，驱动25G激光器将电信号转换为单波长25GBaud(50Gbps)光信号。其次在接收方向，探测器将上面的光信号转换为电信号，整形放大后输出至PAM4解码芯片接收端。最后由PAM4解码芯片再将该信号转换为2×25GNRZ信号。

如此一来，由传输通道造成的损耗将会大大减少，有效地提升了带宽利用效率。

在5G的建设中，成本对于运营商们来说也是一座需要翻过的大山。单从基站的数量上看，由于5G信号频率的特性，要想达到理想的网络覆盖和速度，基站的数量将至少是4G的2倍，网络全面铺开后预计将达到4至5倍，而且每个基站的功耗更高，组网也需要的更多的光纤。然而运营商无法按照这样的比例去增收用户的费用，甚至还要做到提速降费，所以要降低成本只能从每个环节中去省出来。

PAM4在带宽利用率上的提升所带来的光模块成本降低，也是5G实现低成本、广覆盖的关键因素。作为网络物理层的基础构成单元，光模块在移动承载网设备的成本构成中占比越来越大，部分设备中甚至超过50-70%。据分析机构Yole的调研，2019年至2025年，来自数通市场的光模块需求，将实现约20%的年复合增长率;在电信市场将实现约5%的复合年增长率。

随着5G技术的不断发展和人们对于网络需求的进一步提升，未来也不排除采用更多电平的PAM6或PAM8进行信号传输。5G这曲“交响乐”，除了要有站在台上的这位光互连技术作为“指挥家”带头指引，还得有在核心网、回传前传和无线接入中的每位“乐手”分毫不差地配合，才能将这首曲子演奏地精彩漂亮。

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原文标题：奏响5G交响乐，谁是指挥家?

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审核编辑：汤梓红