摘要前言

在本系列兩篇文章的第一篇中Samtec漫談 | 電氣領(lǐng)域中的以小搏大/上篇，我們探討了如何利用物理原理實(shí)現(xiàn)“以小博大”。但傳輸電能只是其中一部分，數(shù)據(jù)的重要性同樣不容小覷。

如今各類系統(tǒng)對(duì)數(shù)據(jù)量的需求呈無(wú)上限增長(zhǎng)趨勢(shì)，那么在數(shù)據(jù)領(lǐng)域，是否也能找到 “以小博大” 的方法呢？

對(duì)數(shù)據(jù)的需求永無(wú)止境

與電能不同，數(shù)據(jù)傳輸并不依賴更高的電能，而是更看重電能的利用方式。現(xiàn)代通信基于兩種狀態(tài)的差異——即數(shù)字計(jì)算中常說(shuō)的 “1” 和 “0”。在將這類信息從一處傳輸?shù)搅硪惶帟r(shí)，設(shè)計(jì)師會(huì)采用“不歸零碼（non-return-to-zero，簡(jiǎn)稱 NRZ）” 的方式。

該方式通過(guò)兩種電壓水平的差異來(lái)傳輸1個(gè)比特的信息。“不歸零” 的含義是，系統(tǒng)在傳輸相鄰比特時(shí)，不會(huì)恢復(fù)到中性電壓狀態(tài)，而是連續(xù)不斷地逐比特傳輸。

在理想情況下，發(fā)射器會(huì)生成方波來(lái)區(qū)分兩種電壓水平，這些方波（及對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)）能完好無(wú)損地到達(dá)接收器。脈沖長(zhǎng)度可以無(wú)限縮短，唯一的限制是發(fā)射器在兩種電壓間切換的速度。但在現(xiàn)實(shí)中，有諸多因素會(huì)限制傳輸速度。

首先，兩種電壓間的切換并非瞬時(shí)完成。盡管切換所需時(shí)間極短（通常在萬(wàn)億分之一秒級(jí)別），但現(xiàn)代系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸速率已達(dá)每秒千兆比特（Gbps）。這意味著，即便電壓上升時(shí)間微乎其微，仍會(huì)對(duì)傳輸造成顯著影響。電壓切換速度決定了數(shù)據(jù)傳輸?shù)纳舷蓿?a href="http://www.brongaenegriffin.com/v/tag/207/" target="_blank">芯片制造商不斷研發(fā)更新、更快的設(shè)備以提升數(shù)據(jù)傳輸能力，但數(shù)據(jù)需求的增長(zhǎng)速度始終更快。

我們?cè)俅蚊媾R物理定律的制約（別忘了，我們無(wú)法改變物理定律）。所有電纜都存在電阻，即便電流很小，電阻仍會(huì)導(dǎo)致高速信號(hào)衰減。若信號(hào)到達(dá)接收端時(shí)，兩種電壓的差異已變得模糊，接收器便難以識(shí)別其中的區(qū)別。

高速信號(hào)的特性

高速信號(hào)的特殊特性會(huì)進(jìn)一步加劇這一問(wèn)題。與傳統(tǒng)直流電不同，高頻信號(hào)往往會(huì)向?qū)w表面聚集，這種現(xiàn)象被稱為“趨膚效應(yīng)（skin effect）”。

趨膚效應(yīng)會(huì)使信號(hào)實(shí)際占用的導(dǎo)體橫截面積縮小，進(jìn)而導(dǎo)致電阻增大。

信號(hào)頻率越高，趨膚效應(yīng)越明顯。

因此，通過(guò)單根電纜傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量存在上限。由于數(shù)據(jù)速率與電壓或電流無(wú)關(guān)，我們無(wú)法通過(guò)“調(diào)高旋鈕” 的方式來(lái)提升數(shù)據(jù)流量：提高頻率反而會(huì)引發(fā)新的問(wèn)題。那么，如何才能 “以小搏大”？如何提升通過(guò)電纜和連接器的數(shù)據(jù)速率？

增加電纜數(shù)量或許是一種解決方案，但這顯然與“以少求多” 的目標(biāo)相悖。更多的電纜意味著更重的重量，這又會(huì)讓我們回到前文討論的重量問(wèn)題上。

脈沖幅度調(diào)制PAM

不妨從信號(hào)本身入手思考：系統(tǒng)通過(guò)兩種電壓的差異傳輸數(shù)字信息。只要信號(hào)鏈調(diào)試得當(dāng)，接收器就能識(shí)別這種差異，并將其解讀為一串“1” 和 “0”。

但如果接收器的作用只是識(shí)別不同電壓水平，那我們是否只能局限于兩種電壓呢？若接收器能區(qū)分四種電壓水平，會(huì)產(chǎn)生什么結(jié)果？

若能實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)，我們便可在不提高信號(hào)頻率的前提下，將信息傳輸量提升一倍。這正是“脈沖幅度調(diào)制（Pulse Amplitude Modulation，簡(jiǎn)稱 PAM）”的核心原理，其中 “PAM4” 特指采用四種電壓水平的調(diào)制方式。

只要信號(hào)鏈能保持?jǐn)?shù)據(jù)的穩(wěn)定傳輸，利用這四種電壓水平，就能同時(shí)傳輸2個(gè)比特的信息。

眼圖可直觀展示NRZ與PAM4傳輸?shù)碾妷核?，從中能清晰看?PAM4 如何實(shí)現(xiàn) “以小搏大”——其信息傳輸量是NRZ的兩倍。眼圖中的空白區(qū)域（即 “眼睛”）代表信號(hào)的完整性。

若你曾在Samtec的展會(huì)的展臺(tái)上見(jiàn)過(guò)眼圖，便能理解其展示邏輯：眼圖會(huì)呈現(xiàn)接收器端的電壓情況，通過(guò)圖像可判斷信號(hào)質(zhì)量。

NRZ 信號(hào)的眼圖中有兩條水平線，分別代表兩種電壓水平，曲線部分則是電壓在兩種水平間的切換過(guò)程。只要中間的 “眼睛” 區(qū)域呈深色，就說(shuō)明信號(hào)接收狀態(tài)良好。

PAM4 的眼圖與之類似，但會(huì)顯示四種電壓水平而非兩種。同樣，只要空白區(qū)域呈深色，就表明信號(hào)完整性達(dá)標(biāo)。

因此，采用PAM4技術(shù)可在不提高信號(hào)頻率的前提下，將信息傳輸量提升一倍。盡管對(duì)于單條鏈路而言，我們尚未完全實(shí)現(xiàn) “以小博大”，仍需使用相同數(shù)量的電纜和連接器，但我們有兩種優(yōu)化方向：要么通過(guò)現(xiàn)有基礎(chǔ)設(shè)施傳輸兩倍的數(shù)據(jù)量，要么用更少的電纜傳輸與原先等量的數(shù)據(jù)。無(wú)論哪種方式，都能提升 PAM4 系統(tǒng)的性能。

但事情真的這么簡(jiǎn)單嗎？答案是否定的。設(shè)計(jì)PAM4系統(tǒng)需要更加關(guān)注信號(hào)完整性，以確保信息完好傳輸；同時(shí)，系統(tǒng)中的有源部件（發(fā)射器和接收器）也需具備更高性能，成本相應(yīng)也會(huì)增加。

小 結(jié)

由此可見(jiàn)，PAM4是實(shí)現(xiàn) “以小搏大” 的理想工具，但需要投入更多研發(fā)工作。對(duì)于部分應(yīng)用場(chǎng)景，傳統(tǒng)的NRZ傳輸仍適用，且由于其受高速信號(hào)相關(guān)的信號(hào)完整性問(wèn)題影響較小，穩(wěn)定性可能更優(yōu)。

但對(duì)于設(shè)計(jì)目標(biāo)為224 Gbps及更高速率的系統(tǒng)而言，PAM4是不可或缺的技術(shù)。若你想深入了解PAM4及其在信號(hào)完整性中的重要作用，可聯(lián)系我們的信號(hào)完整性中心。那里的Samtec工程師們正夜以繼日地在線上和線下同時(shí)努力著~

請(qǐng)持續(xù)關(guān)注Samtec這只老虎吧。