2. PAM4信号基础与链路预算
PAM4（4-level Pulse Amplitude Modulation，四电平脉冲幅度调制）是当前 50G/100G/200G/400G 光通信链路的核心调制方式。它把传统的 NRZ 两电平信号扩展为四个电平，每个符号携带 2 bit 信息，从而在相同符号速率下把比特率翻倍。理解 PAM4 的电平定义、符号速率与比特率的关系、误码率与信噪比要求，以及光功率预算与链路余量的计算方法，是链路设计的第一步。
一、PAM4 电平定义与眼图特征
PAM4 使用四个幅度电平，通常记为 Level 0、Level 1、Level 2、Level 3，对应 Gray 编码的符号 00、01、11、10。相邻电平之间的幅度间隔称为一个“眼高”（eye height）。与 NRZ 只有一个眼高不同，PAM4 有三个眼高，每个眼高只有 NRZ 的 1/3。这意味着在相同峰峰值下，PAM4 对噪声、抖动和线性度的要求比 NRZ 严格得多。
以典型 53.125 GBd PAM4 光模块为例，其输出峰峰值通常为 800 mV（差分），则每个眼高约为 267 mV。若接收端灵敏度要求为 100 mV 眼高，则允许的噪声容限只有约 167 mV。实际链路中，激光器非线性、驱动器饱和、光纤色散和接收机带宽不足都会压缩眼高，因此 PAM4 链路设计必须留出足够的垂直和水平余量。
二、符号速率与比特率的关系
PAM4 的符号速率（Baud Rate，单位 GBd）与比特率（Bit Rate，单位 Gbps）之间满足：
比特率 = 符号速率 × log2(4) = 符号速率 × 2例如，53.125 GBd 的 PAM4 信号对应 106.25 Gbps 比特率，这是 100G 以太网单通道的典型速率。若采用 26.5625 GBd，则对应 53.125 Gbps，常用于 50G 以太网。设计时需注意：光模块的带宽、激光器弛豫振荡频率和接收机 TIA 带宽都必须支持目标符号速率，而不是比特率。因为符号速率决定了信号在时域上的最小脉冲宽度，也决定了频域上的奈奎斯特频率。
以 53.125 GBd 为例，奈奎斯特频率为 26.5625 GHz。若接收机 3 dB 带宽低于此值，高频分量被衰减，眼图水平张开度下降，误码率恶化。因此，PAM4 链路通常要求接收机带宽不低于 0.6～0.7 倍符号速率，即约 32～37 GHz。
三、误码率与信噪比要求
PAM4 的误码率（BER）与信噪比（SNR）关系比 NRZ 更复杂。对于加性高斯白噪声（AWGN）信道，PAM4 的理论 BER 可近似为：
BER ≈ (3/4) × Q(√(SNR/5))其中 Q(·) 为高斯 Q 函数，SNR 为平均信号功率与噪声功率之比。要达到 1E-12 的 BER（光通信常用前向纠错 FEC 前的目标），PAM4 所需 SNR 约为 22～23 dB；而 NRZ 仅需约 15～16 dB。这意味着 PAM4 链路需要额外 6～7 dB 的光功率预算来补偿其 SNR 劣势。
实际系统中，FEC 可以显著降低对原始 BER 的要求。例如，KP4 FEC（RS(544,514)）可将 2.4E-4 的原始 BER 纠正到 1E-15 以下。因此，许多 100G/400G 光模块将 FEC 前的 BER 目标设为 2.4E-4，此时 PAM4 所需 SNR 降至约 12～13 dB，大大缓解了链路预算压力。
四、光功率预算与链路余量计算
光功率预算（Optical Power Budget）是指从发射机输出到接收机灵敏度之间允许的总损耗。链路余量（Link Margin）则是预算减去实际链路损耗后的剩余值。计算步骤如下：
- 确定发射光功率：例如，100G PAM4 光模块平均发射功率为 -1 dBm 至 +3 dBm，取典型值 +1 dBm。
- 确定接收灵敏度：例如，接收机灵敏度为 -7 dBm（对应 BER 2.4E-4，含 FEC）。
- 计算总预算：预算 = 发射功率 - 接收灵敏度 = 1 - (-7) = 8 dB。
- 扣除链路损耗：包括光纤衰减（0.35 dB/km × 10 km = 3.5 dB）、连接器损耗（2 × 0.5 dB = 1 dB）、熔接点损耗（4 × 0.1 dB = 0.4 dB）、色散代价（1.5 dB）和老化余量（1 dB）。总损耗 = 3.5 + 1 + 0.4 + 1.5 + 1 = 7.4 dB。
- 计算链路余量：余量 = 8 - 7.4 = 0.6 dB。该余量偏小，实际工程中建议至少保留 2～3 dB 余量，因此需要提高发射功率或降低链路损耗。
若将发射功率提升至 +3 dBm，则预算变为 10 dB，余量提升至 2.6 dB，满足工程要求。若无法提升发射功率，可考虑使用更低损耗的光纤、减少连接器数量或采用更高灵敏度的接收机。
五、链路预算计算示例表
下表给出一个 10 km 100G PAM4 链路的预算计算示例，参数为合理假设值，用于说明计算方法。
| 项目 | 符号 | 数值 | 单位 | 说明 |
|---|---|---|---|---|
| 发射平均光功率 | P_tx | +1 | dBm | 典型值 |
| 接收灵敏度 | P_rx | -7 | dBm | BER 2.4E-4，含 FEC |
| 总预算 | B | 8 | dB | P_tx - P_rx |
| 光纤衰减 | L_fiber | 3.5 | dB | 0.35 dB/km × 10 km |
| 连接器损耗 | L_conn | 1.0 | dB | 2 × 0.5 dB |
| 熔接点损耗 | L_splice | 0.4 | dB | 4 × 0.1 dB |
| 色散代价 | L_disp | 1.5 | dB | 10 km 色散补偿后残余 |
| 老化余量 | L_age | 1.0 | dB | 温度与器件老化 |
| 总链路损耗 | L_total | 7.4 | dB | 各项之和 |
| 链路余量 | M | 0.6 | dB | B - L_total |
从表中可见，余量仅 0.6 dB，不满足工程建议的 2～3 dB。改进方案包括：将发射功率提升至 +3 dBm（余量 2.6 dB），或采用衰减更小的光纤（如 0.25 dB/km，节省 1 dB），或减少一个连接器（节省 0.5 dB）。实际设计中，应优先提升发射功率，因为其代价最低且不影响链路其他参数。
六、设计检查要点
- 确认符号速率与比特率换算正确，接收机带宽满足 0.6～0.7 倍符号速率要求。
- 明确 FEC 类型与 FEC 前 BER 目标，据此确定接收灵敏度。
- 计算链路损耗时，逐项列出光纤、连接器、熔接点、色散、反射和老化余量，避免遗漏。
- 链路余量建议保留 2～3 dB，若不足，优先调整发射功率或光纤类型。
- PAM4 对非线性敏感，发射功率不宜过高，需在余量与非线性代价之间折中。
掌握以上电平定义、速率关系、SNR 要求和预算计算方法后，即可对 PAM4 光链路进行初步可行性判断，并为后续的器件选型和系统调试提供量化依据。