2. 信号与信道基础

在高速以太网从 10G、25G 走向 100G、400G 甚至 800G 的过程中，PHY 层最根本的变化并不是“线变多了”，而是每个符号承载的信息量变大了。理解 NRZ 与 PAM4 的差别，以及符号率、比特率、奈奎斯特带宽和信道损耗之间的关系，是读懂 PCS、SerDes 均衡和链路预算的前提。

一、NRZ 与 PAM4 的调制原理

NRZ（Non-Return-to-Zero，不归零码）是最直观的调制方式：每个符号周期只发送两个电平之一，通常记作 0 和 1。一个符号携带 1 bit 信息，因此符号率与比特率在数值上相等。例如 25G NRZ 表示每秒 250 亿个符号，也即 25 Gbit/s。

PAM4（4-Level Pulse Amplitude Modulation，四电平脉冲幅度调制）把每个符号周期扩展为四个电平，通常映射为 00、01、10、11 四个二进制组合。每个符号携带 2 bit 信息，因此相同符号率下比特率翻倍。例如 25 GBd 的 PAM4 信号对应 50 Gbit/s。代价是眼高只有 NRZ 的三分之一，噪声容限显著下降，对信噪比、线性度和均衡能力提出更高要求。

二、符号率与比特率的关系

符号率（Baud Rate，单位 GBd）描述每秒发送多少个符号；比特率（Bit Rate，单位 Gbit/s）描述每秒发送多少比特。二者关系由每符号比特数 N 决定：

比特率 = 符号率 × log2(M)
其中 M 为电平数：
NRZ：M = 2，log2(2) = 1，比特率 = 符号率
PAM4：M = 4，log2(4) = 2，比特率 = 2 × 符号率

这意味着，在相同信道带宽下，PAM4 可以把吞吐量翻倍，但代价是每比特能量下降、眼高缩小、对噪声和失真更敏感。因此 400G 以太网普遍采用 50 GBd 或 53 GBd 的 PAM4 信号，而不是继续提高 NRZ 的符号率。

三、奈奎斯特准则与带宽约束

奈奎斯特第一准则指出：若信道带宽为 B，则无码间干扰的最大符号率为 2B。也就是说，理想基带信道中，符号率不能超过带宽的两倍。对于 PAM4，若符号率为 25 GBd，则所需最小基带带宽约为 12.5 GHz；若符号率为 50 GBd，则至少需要 25 GHz 带宽。

实际信道并非理想低通，高频衰减、反射、串扰和时钟抖动都会压缩眼图。因此工程上通常用“奈奎斯特频率”来评估信道：它是符号率的一半，代表信号频谱中最容易受损的高频分量。例如 50 GBd PAM4 的奈奎斯特频率为 25 GHz，链路必须在 25 GHz 附近仍保持足够的幅度和相位线性。

四、信道损耗与趋肤效应

高速信号在 PCB 走线、连接器、电缆和过孔中传输时，损耗主要来自两部分：介质损耗和导体损耗。介质损耗与频率近似成正比，表现为 FR4 板材的 tanδ 吸收；导体损耗则与频率的平方根成正比，其根源是趋肤效应。

趋肤效应是指高频电流集中在导体表面流动，有效导电截面积减小，电阻随频率升高而增大。频率越高，电流越“贴”在表面，导体损耗越大。对于 25 GHz 以上的信号，趋肤效应和介质损耗共同造成明显的频率相关衰减，表现为眼图闭合、上升沿变缓、码间干扰加剧。

五、案例与误区复盘

假设一条 400G 链路采用 50 GBd PAM4，奈奎斯特频率为 25 GHz。若 PCB 走线在 25 GHz 处损耗达到 20 dB，而接收端仅靠 CTLE 无法补偿，就会出现眼图闭合。此时需要引入 FFE（前馈均衡）和 DFE（判决反馈均衡），并在链路预算中预留足够的均衡余量。

另一个误区是只关注比特率而忽略符号率。例如 100G PAM4 可以采用 50 GBd 或 25 GBd 方案，前者对信道带宽要求更高，后者需要更复杂的 DSP 和更多并行通道。理解符号率、奈奎斯特频率和信道损耗之间的定量关系，才能在架构选择时做出正确取舍。