2. PAM4调制与相干检测原理
PAM4（4-level Pulse Amplitude Modulation）把每个符号周期承载的信息量从NRZ的1 bit提升到2 bit，这是400G/800G光链路普遍采用它的直接原因。但“每符号2 bit”并不是免费的：电平数从2增加到4，相邻电平间距缩小到原来的1/3，同样的噪声与非线性会带来更严重的判决错误。理解PAM4，必须同时理解它的符号映射规则、相干接收下的I/Q信号模型，以及星座图与误码率之间的定量关系。
一、PAM4符号映射：格雷码与电平定义
PAM4的四个电平通常记为{-3, -1, +1, +3}（归一化幅度），对应符号00、01、11、10。这里采用格雷码映射，即相邻电平只相差1 bit，目的是让“最可能发生的相邻电平误判”只造成1个比特错误，而不是2个。若采用自然二进制映射（00、01、10、11），从01误判到10会同时翻转两位，BER会明显恶化。
映射关系可写为：电平-3→00，-1→01，+1→11，+3→10。发送端将比特流按2 bit分组，查表得到目标电平，再经DAC或驱动电路输出。接收端则相反：先判决出电平，再按同一张表还原比特。需要强调的是，映射表必须在收发两端严格一致，否则会出现系统性误码。
二、相干接收的I/Q信号模型
相干接收的核心是90°光混合器与平衡光电探测器。信号光Es与本振光ELO在混合器中干涉，输出四路光场，经平衡探测后得到同相分量I和正交分量Q：
I ∝ Re{ E_s · E_LO* }
Q ∝ Im{ E_s · E_LO* }对于单偏振PAM4，若只调制幅度、不调制相位，理论上I路即可承载信息，Q路仅反映相位噪声与频偏。但在实际相干系统中，发送端常采用IQ调制器，把PAM4符号映射到I轴（或同时映射到I、Q构成更复杂的星座），接收端通过I/Q两路采样获得完整的复基带信号。数字信号处理（DSP）随后完成时钟恢复、频偏估计、相位恢复、自适应均衡与判决。
这里有一个关键点：相干接收得到的是复信号，因此可以同时利用幅度和相位信息。这为后续的偏振复用、高阶QAM以及概率整形留下了空间，也是相干PAM4与IMDD PAM4最本质的区别之一。
三、星座图与误码率关系
PAM4的星座图是一维的四个点，分布在I轴上。若噪声为加性高斯白噪声，判决门限设在相邻电平中点，即-2、0、+2。误符号率（SER）可近似为：
SER ≈ (3/2) · erfc( d / (2σ√2) )其中d为相邻电平间距，σ为噪声标准差。由于格雷码映射，误比特率BER≈SER/2。可以看出，BER对d/σ非常敏感：d缩小一半，BER会恶化数个数量级。因此相干PAM4系统必须通过均衡、前向纠错（FEC）和足够的接收光功率来保证d/σ足够大。
星座图还能直观反映损伤：噪声表现为点云扩散，频偏表现为星座旋转，IQ不平衡表现为椭圆化，非线性则表现为外层点压缩。工程上常通过观察星座图的EVM（误差矢量幅度）来快速评估链路健康度。
四、相干PAM4与IMDD PAM4的差异
IMDD（强度调制直接检测）PAM4是最常见的短距方案：发送端直接调制激光器强度，接收端用光电二极管直接检测光功率，结构简单、成本低。但它只能利用幅度维度，且受到色散、 chirp和平方律检测的非线性影响，传输距离通常限制在几公里到几十公里。
相干PAM4则通过本振光与信号光混频，同时获取I/Q两路信息，具备以下优势：第一，灵敏度更高，因为本振光提供了增益，等效于放大信号；第二，可以电域补偿色散和偏振旋转，无需光学色散补偿模块；第三，支持偏振复用，频谱效率翻倍；第四，可利用相位信息进行更精细的均衡与判决。代价是收发机复杂度、功耗和成本显著上升，因此相干PAM4更多用于长距、城域或数据中心互联（DCI）场景。
从工程选型看，若链路预算充足、距离短、成本敏感，优先IMDD PAM4；若需要长距、高频谱效率或偏振复用，则相干PAM4更合适。两者并非替代关系，而是按场景分工。
总结来看，PAM4的符号映射决定了比特到电平的对应规则，相干I/Q接收提供了完整的复基带观测，星座图与BER公式则把损伤量化成可判断的指标。理解这三者的联动，是后续DSP算法设计与链路调试的基础。