第4章 PAM4调制原理：电平映射与眼图基本概念
好，咱们聊聊PAM4。
上一代Gen3/Gen4用的都是NRZ，也就是非归零码。说白了，就是每个符号两种电平：高电平代表1，低电平代表0。一个UI里边要么0要么1，逻辑简单，眼图也干净。可到了Gen5，速率一下子冲到32GT/s，甚至未来56GT/s，NRZ的带宽压力太大了。
我早年做12Gbps的SerDes时，NRZ眼图看着还行。但有一次尝试跑28Gbps，PCB走线损耗高频分量直接吃光，眼图张不开。那会我就意识到：要想继续提速，必须在调制格式上动刀。
PAM4，就是那条新路。
4.1 从NRZ到PAM4：直观对比
NRZ一个UI传递1bit信息。PAM4呢，用四种电平去代表两个二进制位，也就是一个符号携带2bit。这样做的好处是什么？
- 相同波特率下数据率翻倍：26GBaud的PAM4等效于52Gbps，而NRZ只能到26Gbps。
- 带宽减半：要达到同样数据率，PAM4需要的信道带宽只有NRZ的一半。
但代价也有。四种电平之间的电压间距缩小了。NRZ的两个电平摆幅如果是Vpp，PAM4相邻电平的间距就只有Vpp/3。噪声容限直接缩水。
PAM4核心等式： 一个符号 = log2(4) = 2 bits。数据率 = 符号率 × 2。
| 参数 | NRZ (Gen4) | PAM4 (Gen5) |
|---|---|---|
| 一个符号携带比特 | 1 bit | 2 bit |
| 电平数量 | 2（0,1） | 4（00,01,11,10） |
| 相同数据率下符号率 | 高 | 低（一半） |
| 电压裕量（同摆幅） | 大 | 小（1/3摆幅间距） |
| 信噪比要求 | 低 | 高（约9.5dB更严） |
你想想看，同样功耗和摆幅下，NRZ的眼高是Vpp，PAM4的眼高只有Vpp/3。所以PAM4对噪声、反射、串扰这些非理想因素特别敏感。我在一个56Gbps PAM4链路调试中，眼图闭合就是差那几十毫伏的裕量，后来靠优化CTLE均衡才救回来。
4.2 电平映射：格雷码是关键
PAM4的四种电平分配哪两个bit，不是随便乱来的。行业内普遍采用 格雷码（Gray code） 映射。
我的建议： 设计时永远用格雷码映射相邻电平，这样单符号错误只会导致1bit错误，而不是2bit。这在误码率计算上有巨大区别。
常见的映射方式（从最低电平到最高电平）：
电平0 → 二进制 00
电平1 → 二进制 01
电平2 → 二进制 11
电平3 → 二进制 10
注意中间的两个电平01和11，只差一个bit。如果噪声把电平1误判成电平2，只有最高位出错，最低位不变。这就是格雷码的好处。
实际应用中，发送端会把两路并行数据（MSB和LSB）分别通过DAC加权后叠加。比如LSB的摆幅是MSB的一半。我见过的有些芯片用5bit DAC来生成PAM4，留一个冗余位做预加重。
4.3 PAM4眼图：不再是“一只眼”
NRZ的眼图是一个大眼。PAM4呢，三个眼摞在一起。咱们叫它三眼图或者叠眼图。
眼图的横轴是一个UI，纵轴是电压。PAM4眼图从上到下依次是：
- 上眼：电平3 ↔ 电平2
- 中眼：电平2 ↔ 电平1
- 下眼：电平1 ↔ 电平0
这三个眼的高度理论相等，都是Vpp/3。但实际情况里，中间眼往往比上下眼差。为什么？因为上下眼可以参考最外电平当作边界，而中间眼左右邻居都是动态信号，抖动和噪声影响更严重。
注意避坑： 我曾经碰到一个项目，仿真时上下眼高度接近，但中眼只开了60%。当时以为是芯片问题，后来发现是发送端的线性度不够，导致电平2和电平1的间距偏差。所以测量PAM4眼图时，三个眼要分别测，不能只看一个。
衡量PAM4眼图质量的常用指标：
- 眼高（Eye Height）：最差那个眼的高度，单位mV。
- 眼宽（Eye Width）：最差那个眼的水平张开宽度，单位ps。
- 抖动（Jitter）：三个眼的确定性抖动和随机抖动可能不同。
- 电平失配：RLM（Level Separation Mismatch Ratio），反映四个电平是否均匀分布。
4.4 RLM：电平分离度——SerDes界内卷的关键
RLM（电平分离度比率）是PAM4特有的品质因数。它描述实际电平间距与理论理想间距的偏差。
公式：
RLM = (最小的相邻电平间距) / (平均的相邻电平间距)
理想情况下，四个电平间距完全均匀，RLM = 1。实际能到0.95以上算优秀，0.9及格，低于0.8基本没戏。
我测过一批光模块，RLM只有0.85，误码率始终下不来。后来发现是激光器的非线性导致电光转换后的电平压缩。换了一个调制器，RLM提到0.96，问题解决。
RLM的工程经验： 大多数Gen5标准要求RLM ≥ 0.95。如果测试低于0.92，赶紧查发送端的线性度和DAC精度。
4.5 本章知识结构图
下面这张SVG把PAM4的核心脉络串起来了。从输入数据开始，到格雷码映射、DAC产生四种电平、再通过信道传送，最后接收端眼图评估三个眼和RLM。我建议你多看几遍这个图，它把本章的物理概念和测量指标串成了一条线。
4.6 实际测量中的几个关键点
- 触发（Trigger）：PAM4信号需要时钟恢复或数据触发。用NRZ的眼图触发方式会看到一片混沌。我习惯用CDR输出的时钟做触发，或者用PAM4序列的上升沿作为外部触发。
- 示波器带宽要求：至少是信号频率的三倍以上。对于26GBaud PAM4，推荐带宽 ≥ 33 GHz，否则眼图被仪器本身滤波压扁。
- 电平直方图（Level Histogram）：这是快速诊断的工具。在每个眼图中间采样位置做垂直直方图，应该看到四个明显的峰值。如果某个峰值塌了或者偏移，对应电平就有问题。
一个实用技巧： 调试时先用PAM4的低速测试码型（如PRBS9）检查RLM，确认发送端四个电平间距。再用PRBS31跑误码率。这样能隔离问题是在发送还是接收。