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~