漫画科普：什么是PAM4？

小明和小白是同班同学，也是一对好基友。

小明很聪明，学习成绩也很好。而小白比较贪玩，成绩很差。
班主任王老师每天都会安排考试，小明总是拿满分，而小白总是拿零分。

于是，小白就问小明：


为了帮助好基友，小明经过苦思冥想，终于计上心头——

王老师的考试卷，只考判断题，答案要么是1（对），要么是0（错）。
所以，他就和小白约定：考试的时候，自己会吹泡泡，吹大泡泡代表1（对），吹小泡泡代表0（错）。

果然，采用这个方法之后，小明每次考试都能准确将答案传递给小白，大大提升了小白的考试成绩。

得意的小白
然而，没过多久，课程进入了新的阶段，难度大幅提升。王老师决定，将试卷里面的判断题全部改成单选题，一共A/B/C/D四个选项。

这下小白慌了，四个选项，该怎么办？


于是，小明和小白又有了新的对话：






小明告诉小白，根本没有必要吹出字母形状的泡泡，那样也容易被老师发现。
“我经过多年练习，现在可以精准控制吹出泡泡的大小”，小明说，“当我吹出大号的泡泡，就是A；中号的泡泡，就是B；小号的泡泡，就是C；超小号的泡泡，就是D。”

果然，在新方法的帮助下，小明依然可以将答案准确地传递给小白，继续帮助小白获得好成绩。

后来，小明考上了北京大学，小白进入了百货公司，他们都有光明的前途。。。
—— 故事完 ——


好啦，上面这个故事，大家都看明白了没？
首先，我要郑重声明一下：作弊是不对的。在任何情况下，都不应该作弊。请小盆友们切勿模仿。
然后，我们再来分析一下故事里面的作弊技巧问题。

小明和小白的两种作弊方法，其实从本质上来说，就是现在光通信领域非常重要的两项基本技术，那就是——NRZ和PAM4。

NRZ，就是Non-Return-to-Zero的缩写，字面意思叫做“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。
NRZ有单极性不归零码和双极性不归零码。

单极性不归零码，“1”和“0”分别对应正电平和零电平，或负电平和零电平。

单极性不归零码

双极性不归零码，“1”和“0”分别对应正电平和等效负电平。

双极性不归零码

所谓“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。）
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：

NRZ调制

接下来看看小明和小白的第二种作弊方法，也就是PAM4。

随着带宽需求的不断增加，我们需要想尽办法增加单位时间内传输的逻辑信息。
PAM4，就是4-Level Pulse Amplitude Modulation，中文名叫做四电平脉冲幅度调制。它是一种调制技术，采用4个不同的信号电平来进行信号传输。
还是传输011011，就变成这样：
PAM4调制
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。
NRZ VS PAM4 （右边是眼图）

那么问题来了，这么爽的技术，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，岂不爽歪歪？
主要原因，还是在于激光器的技术工艺（小明的嘴上功夫）。实现PAM4，需要激光器能够做到对功率的精确控制。
4个电平，4种大小的泡泡，小明要控制得住，不能吹错。 小白也要看得清，不能看错。

万一吹个忽大忽小的，到底是B？还是C呢？

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。
光纤通信的传输，吹泡泡的速度可是非常快的。
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。
好啦，以上就是NRZ和PAM4的简单科普。大家都看懂了吗？


作者：小枣君
来源：鲜枣课堂