3. PAM4 信号特性

NRZ 每个符号只携带 1 bit，而 PAM4 每个符号携带 2 bit，因此在相同符号率下速率翻倍。代价是：PAM4 的垂直幅度被压缩为四电平，眼高只有 NRZ 的三分之一左右，噪声容限显著下降。理解 PAM4 的关键，就是理解“三眼图”这一核心可视化结构，以及它如何把电平映射、格雷编码、符号判决和误码率串成一条完整的链路。

一、三眼图结构：三个眼、四个电平

PAM4 使用四个电平，通常记为 0、1、2、3，对应电压从低到高。相邻电平之间形成一个“眼”，因此共有三个眼：下眼（0↔1）、中眼（1↔2）、上眼（2↔3）。每个眼的高度称为眼高（Eye Height），宽度称为眼宽（Eye Width），交叉点称为眼交叉。

与 NRZ 只有一个眼不同，PAM4 的三个眼在垂直方向上被压缩，且中眼最容易受噪声和线性度影响。若发送端驱动非线性、通道损耗或时钟抖动导致电平间距不均，三个眼的张开度会不一致，最差的那个眼决定整体误码率。因此 PAM4 链路调试中，常分别测量三个眼的眼高、眼宽和信噪比，而不是只看一个综合眼图。

二、电平映射与格雷编码

PAM4 的四个电平需要与 2 bit 的符号建立映射。最常用的映射是格雷编码（Gray Coding）：相邻电平之间只改变 1 bit。例如一种典型映射为：电平 0 → 00，电平 1 → 01，电平 2 → 11，电平 3 → 10。这样做的原因是：当判决发生“相邻电平误判”时，只产生 1 bit 错误，而不是 2 bit 错误，从而降低误码率。

如果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，误码率会明显恶化。因此格雷编码是 PAM4 链路中几乎默认的选择。需要注意的是，格雷编码只保证相邻电平的汉明距离为 1，并不改变眼高和噪声容限，它优化的是“错误代价”，而不是“错误概率”。

电平	典型电压	格雷编码	自然二进制	相邻误判代价
0	最低	00	00	1 bit
1	次低	01	01	1 bit
2	次高	11	10	1 bit
3	最高	10	11	1 bit

三、信噪比与误码率关系

PAM4 的误码率与信噪比密切相关。对于加性高斯白噪声信道，符号错误率可近似表示为：

SER ≈ (3/2) · Q( sqrt( SNR_symbol / 5 ) )
BER ≈ SER / 2   （格雷编码下，相邻误判只错 1 bit）

其中 Q 函数是高斯尾概率。与 NRZ 相比，在相同符号信噪比下，PAM4 的误码率更高，因为眼高只有 NRZ 的约 1/3，噪声容限下降约 9.5 dB。工程上常用“每眼信噪比”来评估：三个眼中最差的那个眼决定整体 BER。若中眼 SNR 比上下眼低 1～2 dB，链路就可能出现“中眼先失效”的现象。

四、符号判决与判决门限

接收端需要把连续电压判决为四个电平之一。判决门限通常设置在相邻电平的中点，共三个门限：TH0（0/1 之间）、TH1（1/2 之间）、TH2（2/3 之间）。判决规则为：

• 电压 < TH0 → 判为电平 0
• TH0 ≤ 电压 < TH1 → 判为电平 1
• TH1 ≤ 电压 < TH2 → 判为电平 2
• 电压 ≥ TH2 → 判为电平 3

实际链路中，由于通道损耗、反射和码间干扰，三个门限不一定等间距。自适应均衡和判决反馈均衡（DFE）会动态调整门限和抽头系数，使三个眼同时张开。若门限偏移，会导致某个眼被压缩，误码率上升。因此，PAM4 接收机通常包含门限自适应环路，实时跟踪最佳判决点。

五、案例与常见误区

某 400G 背板链路在初始调试时 BER 约为 1e-6，远高于目标 1e-12。测量发现上眼和下眼张开良好，但中眼眼高只有其他眼的一半。进一步检查发现发送端驱动器的中间电平存在非线性，导致电平 1 和电平 2 的间距被压缩。调整驱动器偏置后，中眼恢复，BER 降至 1e-13 以下。

常见误区包括：

• 只看综合眼图：综合眼图可能掩盖中眼塌陷，必须分眼测量。
• 认为格雷编码能降低错误概率：格雷编码只降低错误代价，不改变眼高和噪声容限。
• 忽略门限自适应：固定门限在温度、电压变化时会偏移，导致误码率恶化。
• 把符号错误率直接当误码率：格雷编码下 BER ≈ SER/2，两者不能混用。

总结来说，PAM4 的三眼图结构决定了它的噪声容限天然低于 NRZ；格雷编码通过降低相邻误判代价来优化 BER；而符号判决和门限自适应则决定了接收端能否在三个眼同时张开的情况下正确恢复数据。理解这三者的关系，是掌握 PAM4 PHY 与 SerDes 架构的基础。