1：码元

了解调制技术需要引出“码元”的概念。

一个码元就是一个脉冲信号，即一个最小信号周期内的信号，我们都能够理解，最简单的电路，以高电平代表1，低电平代表0，一个代表1或者0的信号，就是一个码元。

信号可以传递信息主要是因为信号有频率，振幅，相位，波长，周期，其中频率/波长/周期三者有相关性，因此可以认为，频率，相位，振幅使信号可以传递信息，其中最常见的是振幅（电平），所以，有没有可能让一个码元/脉冲信号携带的信息量是2或者4bit呢？

答案是肯定的，一个码元可以包含多个bit数据，包含的bit数称为码元的宽度，比特率是指一秒钟可以发送多少bit的数据，波特率是指一秒钟可以发送多少码元，当一码元携带2bit数据，那么比特率=波特率的2倍。

一个二进制信号，比如0或者1，就是1bit，现在有8bit数据，如果用二进制码元（一次只运送一个比特）需要在信道上传输8次脉冲，如果用四进制码元（一次能运送2个比特），需要在信道上传四次脉冲信号，因此码元携带比特越多，传输的脉冲信号次数越少，传输速度就越快。

2：二进制调制技术（NRZ）

高速信号

       NRZ：是“Non-Return-to-Zero”的缩写，字面意思叫“不归零”也就是不归零编码。

       采用NRZ编码的信号，就是使用高低两种信号电平来表示传输信息的数字逻辑信号，可以把NRZ看作PAM2，一个码元只有1bit信息，即，只代表0或者1。

        此外，所谓的不归零，不是说没有0，而是说每传输完一位数据，信号无需返回到零电平（显然相比RZ，NRZ节约了带宽）

        NRZ有单极性不归零码和双极性不归零码，归零码每个数据表示完毕后，都会回归到0电平状态，而非归零码，没有回归到0电平的过程。

        单极性不归零码：用恒定的正电压来表示“1”，无电压来表示“0”，每个码元时间的中间点是“采样时间”，判决门限为半幅度电平（即0.5），即接收信号值在0.5与0.1之间，就判决为1，如果在0与0.5之间就判决为0码。

         双极性不归零码：“1”和“0”码都有电压，但是“1”码是正电平，“0”码是负电平，正和负的幅度相等，故称为双极性码。

         此时的判决门限为零电平，接收机使用零判决器或者正负判决器，接收信号的值若在零电平以上为正，判为“1”码，若在零电平以下为负，判为“0”码。

以上两种编码都是在一个码元的全部时间内为某一个电平（高电平或者底电平），每一位编码占用了全部码元的速度，故这两种编码都属于全宽码，也称作NRZ码。

在光模块调制里面，我们是用激光器的功率来控制0和1的。

简单来说，就是发光，实际发射光功率大于某门限值，就是1，小于某门限值就是0；

传输011011就是这样：

 

                                                                      眼图仿真 

NRZ的优缺点：

优点：简单容易实现，对于信道的要求也不高，可以直接通过电线，光纤等介质进行传输

缺点：在高速传输时容易出现时钟漂移，码间串扰等问题，会影响传输质量，使误码率增加

3：四电平调制技术（PAM4）：

 超高速信号：

        现在采用PAM4调制的高速信号有：GDDR6X/GDDR7，PCIE6，IEEE802.3xx（高速以太网）50G以及其以上的带宽等，可以看到以PAM4为代表的多电平调制可能在以后将是常态。

        IEEE以太网标准组802.3已经确定在400GE/200GE/50GE接口中的物理层采用50Gbps/lane（简称50G）PAM4编码技术。

        PAM4：是4-level pulse Amplitude Modulation，中文名叫做四电平脉冲幅度调制，是一种调制技术，采用4个不同的信号电平来进行信号传输。

        PAM4调制方式采用一定的规则将二进制中的逻辑信号0和1转换为逻辑信号“0” “1” “2” “3” 用四个不同的电平来进行信号的传输。

        PAM4信号的每一个符号周期包含了两个比特的逻辑信息，比如用逻辑信号0来代表逻辑信号00，1代表01，2代表10，3代表11；

传输011011就变成了这样： 

 这样一来，单个符号周期表示的逻辑信息，从NRZ的1bit，变成了2bit，翻了一倍。

（其实说白了NRZ就是我们最常见的高电平表示1，低电平表示0；PAM4是四个电平，0电平表示00两bit的信息，1电平表示01 两bit的信息，2电平表示10两bit的信息，3电平表示11两bit的信息）

如下图中所示：如果我们要传输0001_1011_0111_00 ，那么NRZ和PAM4分别就需要14 cycle和7cycle。

 PAM4由于有4个电平，那我们可以对比NRZ猜想：PAM4的眼图应该有3个眼睛，确实是这样！PAM4信号的眼图如下图所示：

 那么问题来了，这么好的技术，为啥之前不用？如果4电平能够翻一倍，为啥我们不搞个8电平、16电平、32电平？速度随便翻倍？

主要原因：实现PAM4，需要激光器能够做到对功率的精确控制。如果控制不好，就会造成很高的误码率，只能重新吹，影响信号传输效率。PAM4对噪声更加敏感。如果噪声太大，显然也会导致PAM4调制无法正常工作。

4：拓展：

 4.1：对比

我们以单路25G波特率为例。所谓波特率（Baud Rate），就是一秒钟可以发送多少个完整脉冲。

    例如25G EML芯片，约一秒钟发送25×109个脉冲（每秒250亿个泡泡）。采用NRZ的话，那就是速率（比特率，bit rate）是25Gbps。采用PAM4调制技术的话，翻个倍，变成50Gbps。所以，1个25G EML芯片采用PAM4调制之后，就可以做成了单通道50G的PAM4光模块。

现在很多大容量的光模块，都是这么double（翻倍）出来的。

我们再举一个基于PAM4调制的400G DML光收发模块的例子。

    发送单元信号时，16路25G NRZ电信号从电接口单元输入，经过DSP处理器对电信号进行预处理、PAM4调制后，输出8路25G PAM4的电信号，加载到驱动器芯片上，通过8路的激光器将高速电信号转换8路50Gbps的高速光信号，通过波分复用器合波后，合成1路400G的高速光信号输出。

 

    接收单元信号时，将接收的1路400G的高速光信号通过光接口单元输入，经过解复用器转换成8路50Gbps的高速光信号，通过光接收机接收输入光信号，并将所接收的光信号转换成为电信号后，经过DSP处理芯片对电信号进行时钟恢复、放大、均衡、PAM4解调后，转换成16路25G NRZ的电信号。

4.2：PAM4优缺点 

那PAM4相对NRZ有什么优势，有什么缺点呢？我们先讲优势：

      优点：传输效率高，带宽压缩。

由于PAM4一个电平(symbol)包含2bit的数据信息（这一点和CPHY的symbol类似），在相同的内奎斯特频率开销下，PAM4可以传输的数据速率是NRZ的2倍，也就是说在提升数据速率的情况下带宽没有明显增加，如下表格所示；

	Nyquist Frequency	Insertion Loss	Signal Mapping	Baud	Bit Rate
NRZ	10GHZ	15dB	1bit to 1 symbol	20 Gbaud	20Gbps
PAM4	10GHZ	15dB	2bit to 1 symbol	20 Gbaud	20Gbps

      缺点：信噪比低，对噪声的容忍度降低，此外TX/RX的设计难度增加，成本增加。

有4个电平将NRZ的一个眼图分成了3个，所以它对噪声更加敏感，更容易受到干扰。听起来PAM4的缺点多于优点，但是在信号速率不断飙升的情况下，这是迫不得已的一种方式。当然和其他方式相比，PAM4带来的收益可能远大于其他方案或者是它的缺点。

  PAM4广泛应用于50G、单波100G、400G（非ZR）光模块等；

4.3：PAM4实现方法

一般实现PAM4调制的技术分为两类，分别是基于DSP的数字DAC实现方法或者是基于模拟的Combine方法。

    调制方式包括基于DSP的数字DAC实现方法和基于模拟的Combine方法。主流的模拟方式可通过两路NRZ信号进行相加操作，数字方式则是基于高速DAC的方式进行0/1/2/3电平的快速输出。

    主流的模拟方式是基于MSB+LSB Combiner来实现PAM4信号，有两路NRZ信号进行相加操作。

 主流的数字方式是基于高速DAC的方式进行0/1/2/3电平的快速输出。

在此同时，PAM4与NRZ相比，在设计测试过程中其面临的挑战也不容忽视。

    CDR主要是用模拟电路的处理方式，对时钟做恢复，接收端先对传输过来的模拟信号进行时钟恢复，再转为数字信号。

    那么，可否先转为数字信号，再恢复时钟呢？答案也是可以的。用到的处理电路，就是DSP。

    DSP用于serdes，初衷并不是为了做时钟恢复，而是因为PAM4及以上的传输方式下，码元的处理较为复杂，需要由DSP完成。然后因为DSP有更好的数字处理能力，所以除了提供CDR能提供的时钟恢复功能之外，还可以进行色散补偿操作，去除噪声、非线性等干扰因素，对于整个电路的提升是优于CDR的。

    DSP的短板在于，因为处理更复杂，所以功耗更高，成本也更高，而且DSP的延时也要长于CDR。

    目前业内的主流观点认为，DSP更适合长距或中长距，CDR可能更适合短距或中短距。用于serdes的DSP主要是16nm及以下的方案，研发费用较高，需要有较大的出货量来平摊。产业界内，单通道最高数据率大于30 Gbit/s以上，通常考虑采用PAM4+DSP的方案，30 Gbit/s以下使用NRZ+CDR。已经有业内企业在研发新的CDR技术用于替代现有的DSP方案，用于PAM，最终实现低成本和更好的可操作性。

    CDR的方案包括：基于数字PLL的CDR，基于相位插值的CDR，基于电荷泵和模拟滤波器的CDR等。其中后两者被更多认为属于模拟电路。而DSP被认为是完全数字电路。

    关于CDR、DSP在serdes领域的应用，以及与NRZ、PAM的搭配关系，与国外相比目前国内的相关研究还不够深入，国内能够获取的资料也还较少。

附上50G PAM4技术简介：

acrobat document-cn.pdf (huawei.com)https://carrier.huawei.com/~/media/cnbg/downloads/technical%20topics/fixed%20network/acrobat%20document-cn.pdf参考文章：

高速信号—NRZ、PAM4调制技术_华丰科技 pam4 nrz 01-CSDN博客