【導讀】NRZ和PAM4均為基帶傳輸的編碼方式

，不同之處在於每個碼元（symbol）攜帶的信息量。NRZ編碼隻有0和1兩種可能的狀態
，每個碼元攜帶1比特信息

，而PAM4編碼有四種可能的狀態，因此每個碼元攜帶2比特信息。這意味著PAM4僅需要一半的波特率即可實現與NRZ同樣的數據率（圖 1a）
，其對信道帶寬的要求也相應減半（圖 1b）。這就是PAM4技術相對NRZ技術的核心優勢。

PAM4技術的原理和優勢

NRZ和PAM4均為基帶傳輸的編碼方式

，不同之處在於每個碼元（symbol）攜帶的信息量。NRZ編碼隻有0和1兩種可能的狀態，每個碼元攜帶1比特信息

，而PAM4編碼有四種可能的狀態，因此每個碼元攜帶2比特信息。這意味著PAM4僅需要一半的波特率即可實現與NRZ同樣的數據率（圖 1a）
，其對信道帶寬的要求也相應減半（圖 1b）。這就是PAM4技術相對NRZ技術的核心優勢。

更低的帶寬要求意味著對信道損耗具有更高的容忍度，所以 PAM4 技術為係統商賦予了額外的靈活性：既能夠在保持數據率不變的情況下降低信道中相關元件（線材、板材以及接插件等）的de成cheng本ben
，也ye可ke以yi在zai維wei持chi現xian有you成cheng本ben結jie構gou的de前qian提ti下xia
，達da成cheng更geng遠yuan的de傳chuan輸shu距ju離li或huo者zhe更geng高gao的de數shu據ju率lv。低di帶dai寬kuan要yao求qiu所suo帶dai來lai的de另ling一yi項xiang益yi處chu是shi高gao頻pin輻fu射she的de減jian少shao，這zhe在zai複fu雜za的de車che載zai電dian磁ci環huan境jing裏li顯xian得de尤you為wei關guan鍵jian。除chu了le係xi統tong層ceng麵mian的de收shou益yi之zhi外wai
，由you於yu波bo特te率lv更geng低di，PAM4相較於NRZ降低了電路的某些要求，例如 DFE 的反饋時間。

PAM4技術的挑戰

PAM4技(ji)術(shu)雖(sui)然(ran)具(ju)有(you)以(yi)上(shang)提(ti)及(ji)的(de)優(you)勢(shi)，但(dan)是(shi)它(ta)同(tong)時(shi)也(ye)給(gei)電(dian)路(lu)和(he)係(xi)統(tong)設(she)計(ji)帶(dai)來(lai)一(yi)係(xi)列(lie)挑(tiao)戰(zhan)。設(she)計(ji)者(zhe)對(dui)這(zhe)些(xie)挑(tiao)戰(zhan)的(de)理(li)解(jie)和(he)應(ying)對(dui)將(jiang)決(jue)定(ding)整(zheng)體(ti)方(fang)案(an)能(neng)在(zai)多(duo)大(da)程(cheng)度(du)上(shang)發(fa)揮(hui)PAM4的優勢以提高性能和降低成本。

SNR降低

因為PAM4的每個碼元有四種可能，在同樣的信號幅度下，PAM4的信號區分度降低為NRZ的1/3，亦即SNR有20*log(3)=9.5dB的損失。基於同樣的原因
，PAM4對非線性失真
、均衡誤差、失調
、時鍾相位偏差、差分線對內偏差、模式轉換、反射和串擾等都更加敏感，因此一般認為僅當PAM4的帶寬降低使得信道損耗的降低超過11dB時

，其優勢才能體現。

圖 2為兩個不同信道的損耗特性，其在2GHz和4GHz時的損耗差分別為5.2dB（=12.2-7.0）和12.4dB（=19.1-6.7）。圖 3所示則為8Gb/s的NRZ和PAM4信號經過這兩個信道的眼圖（縱坐標均為±500mV以便比較）。對於損耗差為5.2dB的信道，NRZ比PAM4的眼圖更優。對於損耗差為12.4dB的信道
，情況則正好相反

，PAM4相對於NRZ具有明顯優勢。

圖2：兩個不同信道的損耗特性

圖3： 8Gb/s的NRZ和PAM4經過損耗差為5.2dB（a）和12.4dB（b）的信道之後的眼圖

CDR的挑戰

NRZ 信號僅存在兩種可能的碼間跳變，然而 PAM4信號卻增至十二種，如圖 4所示。不僅如此，在這些可能的碼間跳變當中，能夠提供最佳時鍾信息的可用組合僅有八種（圖中紅線所示）。碼間跳變組合的增多意味著更大的硬件開銷

，而可用組合的減少則意味著更低的鑒相器增益及更高的時鍾抖動。

圖4：PAM4信號的碼間跳變

PAM4的時鍾恢複相較於NRZ更為困難，然而其對時鍾的要求卻高於NRZ。圖 5為相同波特率的NRZ和PAM4信號經過一個低損耗信道的眼圖。由於碼間幹擾很小
，NRZ的眼寬幾乎為一個UI。與之相比，PAM4中間的眼寬約為60%個UI，上下眼寬更是由於非對稱性而降低到僅半個UI左右。在同樣的波特率下

，這意味著PAM4對時鍾抖動的容忍度比NRZ更低。這一特點也在高速SerDes的標準中有所體現，例如在A-PHY協議裏，同樣處於4G波特率的情況下，PAM4模式對發射端時鍾抖動的要求相比於NRZ 模式幾乎嚴格了一倍。

首傳微此次發布的套片，其全雙工模擬前端以幾乎無源的方式及早將上下行信號剝離，不僅在麵對超過1V（單端，上下行合並）的信號幅度時無過壓風險
，允許在PAM4moshixiashiyonggenggaodexiaxingxinhaofudu，erqienengzaidigonghaoxiarengranbaozhengxinhaolianluqianduandegaoxianxingdu。gaojingdudemonidianlupeihehoutaiquanchengyunxingdeshuzizishiyingsuanfajiangshitiaodianya
、下行碼間幹擾、上行回聲和下行反射的影響控製在接近底噪的水平。在PAM4模式下，接收機的閾值也由算法全程監控
，精確定位至眼圖中央。所有這些舉措共同作用
，以實現信噪比的最大化。

為(wei)了(le)滿(man)足(zu)車(che)載(zai)應(ying)用(yong)對(dui)長(chang)期(qi)穩(wen)定(ding)性(xing)以(yi)及(ji)功(gong)能(neng)安(an)全(quan)的(de)嚴(yan)格(ge)要(yao)求(qiu)，除(chu)了(le)對(dui)信(xin)號(hao)鏈(lian)路(lu)的(de)優(you)化(hua)之(zhi)外(wai)
，首(shou)傳(chuan)微(wei)此(ci)次(ci)發(fa)布(bu)的(de)套(tao)片(pian)還(hai)提(ti)供(gong)了(le)大(da)量(liang)的(de)監(jian)測(ce)和(he)校(xiao)準(zhun)功(gong)能(neng)，涵(han)蓋(gai)線(xian)纜(lan)故(gu)障(zhang)、電源電壓、溫度、基準電壓和電流
、頻率、帶寬以及電阻等方麵。僅以片上LDO為例，對多個工藝批次（包括FF和SS）的產品的測試結果表明，在不增加芯片麵積和測試成本的前提下，其輸出電壓的標準差僅為0.3%左右。注意此測試結果不僅包括LDObenshendepiancha，erqiebaokuolexinpianneizhijizhunyuandelisanxing。rucijingzhundekongzhiyifangmiandadazengqianglechanpindeyizhixinghewendingxing，lingyifangmianyeyiweizhegenggaodelianglvhegengdidechengben。

作為專門為車載環境量身定製的標準，A-PHY在協議層麵提供了快速動態重傳機製
，以實現卓越的EMC性能。在此基礎上，首傳微此次發布的套片在電路級進行了額外的強化。內置展頻功能、獨特的電源噪聲抑製以及閉環波形控製等技術降低了係統的對外輻射
，而快速數據鎖定等技術則增強了係統的電磁抗擾能力。

圖 6（a）和（b）為VL7717S經過封裝、EVB走線、連接器和測試線纜之後的實測NRZ及PAM4眼圖。圖 7（a）為經過線纜之後VL7724S輸入端的PAM4眼圖。圖 7（b）則為經過VL7724S模擬均衡器之後片內眼圖掃描的結果，注意VL7724S會對該眼圖做進一步的數字均衡以提高裕量。受益於架構和電路的優化，首傳微此次發布的套片在PAM4模式下的功耗比NRZ模式僅略有增加，其典型功耗比市場主流6Gb/s及以上方案降低超過30%。

圖6：VL7717S實測NRZ（4Gb/s）和PAM4（8Gb/s）眼圖

首傳微A-PHY SerDes套片VL7717S、VL7724S為車載高速遠距離PAM4傳輸技術在中國的首家產品級實現，在國際上亦屬領先。首傳微將繼續深耕車載SerDes及相關領域，致力於打造功能更加完備、性能更加優異
、可靠性更高的產品係列
，以滿足客戶的需求，為客戶帶來更加卓越的產品級體驗。

敬請關注首傳微的技術創新和產品動態
，我們熱忱歡迎廣大客戶洽詢，以期更多的合作可能。

文章來源：首傳微VELINKTECH

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