Samtec漫谈 | 电气领域中的以小博大/下篇之数据传输

摘要前言

在本系列两篇文章的第一篇中Samtec漫谈 | 电气领域中的以小搏大/上篇，我们探讨了如何利用物理原理实现“以小博大”。但传输电能只是其中一部分，数据的重要性同样不容小觑。

如今各类系统对数据量的需求呈无上限增长趋势，那么在数据领域，是否也能找到 “以小博大” 的方法呢？

对数据的需求永无止境

与电能不同，数据传输并不依赖更高的电能，而是更看重电能的利用方式。现代通信基于两种状态的差异——即数字计算中常说的 “1” 和 “0”。在将这类信息从一处传输到另一处时，设计师会采用“不归零码（non-return-to-zero，简称 NRZ）” 的方式。

该方式通过两种电压水平的差异来传输1个比特的信息。“不归零” 的含义是，系统在传输相邻比特时，不会恢复到中性电压状态，而是连续不断地逐比特传输。

在理想情况下，发射器会生成方波来区分两种电压水平，这些方波（及对应的数据）能完好无损地到达接收器。脉冲长度可以无限缩短，唯一的限制是发射器在两种电压间切换的速度。但在现实中，有诸多因素会限制传输速度。

首先，两种电压间的切换并非瞬时完成。尽管切换所需时间极短（通常在万亿分之一秒级别），但现代系统的数据传输速率已达每秒千兆比特（Gbps）。这意味着，即便电压上升时间微乎其微，仍会对传输造成显著影响。电压切换速度决定了数据传输的上限，芯片制造商不断研发更新、更快的设备以提升数据传输能力，但数据需求的增长速度始终更快。

我们再次面临物理定律的制约（别忘了，我们无法改变物理定律）。所有电缆都存在电阻，即便电流很小，电阻仍会导致高速信号衰减。若信号到达接收端时，两种电压的差异已变得模糊，接收器便难以识别其中的区别。

高速信号的特性

高速信号的特殊特性会进一步加剧这一问题。与传统直流电不同，高频信号往往会向导体表面聚集，这种现象被称为“趋肤效应（skin effect）”。

趋肤效应会使信号实际占用的导体横截面积缩小，进而导致电阻增大。

信号频率越高，趋肤效应越明显。

因此，通过单根电缆传输的数据量存在上限。由于数据速率与电压或电流无关，我们无法通过“调高旋钮” 的方式来提升数据流量：提高频率反而会引发新的问题。那么，如何才能 “以小搏大”？如何提升通过电缆和连接器的数据速率？

增加电缆数量或许是一种解决方案，但这显然与“以少求多” 的目标相悖。更多的电缆意味着更重的重量，这又会让我们回到前文讨论的重量问题上。

脉冲幅度调制PAM

不妨从信号本身入手思考：系统通过两种电压的差异传输数字信息。只要信号链调试得当，接收器就能识别这种差异，并将其解读为一串“1” 和 “0”。

但如果接收器的作用只是识别不同电压水平，那我们是否只能局限于两种电压呢？若接收器能区分四种电压水平，会产生什么结果？

若能实现这一点，我们便可在不提高信号频率的前提下，将信息传输量提升一倍。这正是“脉冲幅度调制（Pulse Amplitude Modulation，简称 PAM）”的核心原理，其中 “PAM4” 特指采用四种电压水平的调制方式。

只要信号链能保持数据的稳定传输，利用这四种电压水平，就能同时传输2个比特的信息。

眼图可直观展示NRZ与PAM4传输的电压水平，从中能清晰看到 PAM4 如何实现 “以小搏大”——其信息传输量是NRZ的两倍。眼图中的空白区域（即 “眼睛”）代表信号的完整性。

若你曾在Samtec的展会的展台上见过眼图，便能理解其展示逻辑：眼图会呈现接收器端的电压情况，通过图像可判断信号质量。

NRZ 信号的眼图中有两条水平线，分别代表两种电压水平，曲线部分则是电压在两种水平间的切换过程。只要中间的 “眼睛” 区域呈深色，就说明信号接收状态良好。

PAM4 的眼图与之类似，但会显示四种电压水平而非两种。同样，只要空白区域呈深色，就表明信号完整性达标。

因此，采用PAM4技术可在不提高信号频率的前提下，将信息传输量提升一倍。尽管对于单条链路而言，我们尚未完全实现 “以小博大”，仍需使用相同数量的电缆和连接器，但我们有两种优化方向：要么通过现有基础设施传输两倍的数据量，要么用更少的电缆传输与原先等量的数据。无论哪种方式，都能提升 PAM4 系统的性能。

但事情真的这么简单吗？答案是否定的。设计PAM4系统需要更加关注信号完整性，以确保信息完好传输；同时，系统中的有源部件（发射器和接收器）也需具备更高性能，成本相应也会增加。

小 结

由此可见，PAM4是实现 “以小搏大” 的理想工具，但需要投入更多研发工作。对于部分应用场景，传统的NRZ传输仍适用，且由于其受高速信号相关的信号完整性问题影响较小，稳定性可能更优。

但对于设计目标为224 Gbps及更高速率的系统而言，PAM4是不可或缺的技术。若你想深入了解PAM4及其在信号完整性中的重要作用，可联系我们的信号完整性中心。那里的Samtec工程师们正夜以继日地在线上和线下同时努力着~

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