大多数企业需要访问数据中心进行数据计算和存储。随着企业的发展，对数据处理和存储的需求不断增加，要求企业通过增加更多存储器来实现横向扩容，或通过升级到更快更高效的系统来实现纵向扩容。这两个选项都是资本密集型方案，而且不会提供云或超大规模数据中心的可扩展性。基于这些原因，企业正在集中研究使用超大规模数据中心来处理和存储其不断增长的数据量。反过来，超大规模数据中心服务提供商必须将当前的每秒100千兆位（或称Gig（G））以太网迁移到基于56G4级脉冲幅度调制（PAM-4）信令的400G以太网链路，实现更快的接口。使用PAM-4信令变得至关重要，因为对于插入损耗仅超过几分贝（dB）的有损信道，不归零（NRZ）信令无法继续支持超过32G的数据速率。本文介绍了PAM-4多级信令，及其与56G数据速率的NRZ相比较后得出的权衡和优势。
PAM-4信令对比NRZ信令
IEEE等众多标准机构已经对多级信令进行了广泛讨论，即在更高数据速率下克服信道带宽限制时，将他作为NRZ信令的替代编码方案。
在NRZ信令中，一个比特是一个符号，具有0或1这两个不同的幅度（图1）。符号以波特表示。NRZ比特率等于其符号率，1Gbps等于1G波特。
在PAM-4信令中，一个比特具有四个不同的幅度，而两个比特即可成组并映射到一个符号（图2）。因为每个符号有两个比特，所以波特率等于比特率的一半。例如，28G波特PAM-4等于56GNRZ。因此与NRZ相比，PAM-4使用一半带宽实现了两倍的吞吐量。
在标准线性PAM-4信令中，可以同时发生两种转换。这些转换可能导致每个符号出现两比特错误。如果将标准PAM-4信令转换为格雷码，则其误码率将降低到每符号一位，并将整体误码率降低一半（图3）。
数据速率升高，信道损耗就会增加，并且相同的信道技术可能无法用于实现更高的吞吐量。由于PAM-4的波特率为NRZ信号的一半，因此在相同比特率下信道损耗较低。NRZ中的奈奎斯特频率对应PAM-4信号中的比特率的四分之一，是比特率（即，比特/秒）的一半。在图4中，56GNRZ（奈奎斯特频率为28GHz）的损耗超过60dB，相比之下，在14GHz时损耗约为30dB，此时同一信道上共有56G的PAM-4信令。PAM-4的这一关键优势支持以更高的比特率使用现有通道和互连，而无需将波特率加倍并增加信道损耗。
然而，PAM-4并不普遍保证能使用传统信道设计，因为串扰、回波损耗和非线性等信道损伤对PAM-4信号的影响较大，需要加以解决。
信道损伤的影响
与NRZ的两个电压级相比，PAM-4具有四个电压级，导致12种不同的信号转换（六次上升和六次下降），产生三个区域眼图开度，如图5所示。每个眼高为NRZ眼高的1/3，致使PAM-4信噪比（SNR）降低9.5dB以上，这会影响高速信令的信号质量并带来额外的约束。垂直眼图开度减小33％会降低PAM-4中信号的串扰和反射容差，从而导致更高的误码率。
同样，在PAM-4中的四个电压级之间切换必然会引发转换抖动，这是确定性抖动的一种形式，会将信号的眼宽减至NRZ的2/3到1/2。
非线性也会改变信号眼高，显著影响误码率性能。误码率主要受确定性抖动和噪声的影响。
信道损伤对PAM-4中的三处眼图中每一处都有不同的影响，要求每处眼图都有自己的专用数据、错误和信号交叉检测器组合。PAM-4中的所有三处眼图都不对称，每一处都需要分别进行均衡。
总结
超大规模数据中心正在成为企业的首选，可以处理和存储大量数据，以执行针对各种数据密集型应用程序的工作负载。为了实现更快的数据连接以在超大规模数据中心中传输大量数据，服务提供商开始利用基于56GPAM-4信令的400G以太网链路。由于NRZ信令不足并且PAM-4能够以波特率的一半实现更高的比特率，因此设计人员可以继续以有望达到400G的以太网数据速率使用现有信道。然而，PAM-4信令对诸如串扰和非线性之类的信道损伤更加敏感，这一问题需要在PHY设计实现中予以解决。
Synopsys提供经过硅验证的PAM-4DesignWare®56GPHYIP，设计人员可将其集成到其超大规模SoC中，以支持高达400G的以太网链路。PHY基于Synopsys经过硅验证的数据转换器构建，具有可配置性发送器和基于DSP的接收器，使设计人员能够优化信号完整性和性能。在支持IEEE和光互连网络论坛（OIF）标准规范的同时，PHY还支持芯片到芯片、芯片到模块（铜缆和光纤）以及铜背板互连，信道损耗低至35dB。此外，嵌入式误码率测试仪和内部眼图监控器为通道性能提供了片上可测性和可见性。
大多数企业需要访问数据中心进行数据计算和存储。随着企业的发展，对数据处理和存储的需求不断增加，要求企业通过增加更多存储器来实现横向扩容，或通过升级到更快更高效的系统来实现纵向扩容。这两个选项都是资本密集型方案，而且不会提供云或超大规模数据中心的可扩展性。基于这些原因，企业正在集中研究使用超大规模数据中心来处理和存储其不断增长的数据量。反过来，超大规模数据中心服务提供商必须将当前的每秒100千兆位（或称Gig（G））以太网迁移到基于56G4级脉冲幅度调制（PAM-4）信令的400G以太网链路，实现更快的接口。使用PAM-4信令变得至关重要，因为对于插入损耗仅超过几分贝（dB）的有损信道，不归零（NRZ）信令无法继续支持超过32G的数据速率。本文介绍了PAM-4多级信令，及其与56G数据速率的NRZ相比较后得出的权衡和优势。
PAM-4信令对比NRZ信令
IEEE等众多标准机构已经对多级信令进行了广泛讨论，即在更高数据速率下克服信道带宽限制时，将他作为NRZ信令的替代编码方案。
在NRZ信令中，一个比特是一个符号，具有0或1这两个不同的幅度（图1）。符号以波特表示。NRZ比特率等于其符号率，1Gbps等于1G波特。
在PAM-4信令中，一个比特具有四个不同的幅度，而两个比特即可成组并映射到一个符号（图2）。因为每个符号有两个比特，所以波特率等于比特率的一半。例如，28G波特PAM-4等于56GNRZ。因此与NRZ相比，PAM-4使用一半带宽实现了两倍的吞吐量。
在标准线性PAM-4信令中，可以同时发生两种转换。这些转换可能导致每个符号出现两比特错误。如果将标准PAM-4信令转换为格雷码，则其误码率将降低到每符号一位，并将整体误码率降低一半（图3）。
数据速率升高，信道损耗就会增加，并且相同的信道技术可能无法用于实现更高的吞吐量。由于PAM-4的波特率为NRZ信号的一半，因此在相同比特率下信道损耗较低。NRZ中的奈奎斯特频率对应PAM-4信号中的比特率的四分之一，是比特率（即，比特/秒）的一半。在图4中，56GNRZ（奈奎斯特频率为28GHz）的损耗超过60dB，相比之下，在14GHz时损耗约为30dB，此时同一信道上共有56G的PAM-4信令。PAM-4的这一关键优势支持以更高的比特率使用现有通道和互连，而无需将波特率加倍并增加信道损耗。
然而，PAM-4并不普遍保证能使用传统信道设计，因为串扰、回波损耗和非线性等信道损伤对PAM-4信号的影响较大，需要加以解决。
信道损伤的影响
与NRZ的两个电压级相比，PAM-4具有四个电压级，导致12种不同的信号转换（六次上升和六次下降），产生三个区域眼图开度，如图5所示。每个眼高为NRZ眼高的1/3，致使PAM-4信噪比（SNR）降低9.5dB以上，这会影响高速信令的信号质量并带来额外的约束。垂直眼图开度减小33％会降低PAM-4中信号的串扰和反射容差，从而导致更高的误码率。
同样，在PAM-4中的四个电压级之间切换必然会引发转换抖动，这是确定性抖动的一种形式，会将信号的眼宽减至NRZ的2/3到1/2。
非线性也会改变信号眼高，显著影响误码率性能。误码率主要受确定性抖动和噪声的影响。
信道损伤对PAM-4中的三处眼图中每一处都有不同的影响，要求每处眼图都有自己的专用数据、错误和信号交叉检测器组合。PAM-4中的所有三处眼图都不对称，每一处都需要分别进行均衡。
总结
超大规模数据中心正在成为企业的首选，可以处理和存储大量数据，以执行针对各种数据密集型应用程序的工作负载。为了实现更快的数据连接以在超大规模数据中心中传输大量数据，服务提供商开始利用基于56GPAM-4信令的400G以太网链路。由于NRZ信令不足并且PAM-4能够以波特率的一半实现更高的比特率，因此设计人员可以继续以有望达到400G的以太网数据速率使用现有信道。然而，PAM-4信令对诸如串扰和非线性之类的信道损伤更加敏感，这一问题需要在PHY设计实现中予以解决。
Synopsys提供经过硅验证的PAM-4DesignWare®56GPHYIP，设计人员可将其集成到其超大规模SoC中，以支持高达400G的以太网链路。PHY基于Synopsys经过硅验证的数据转换器构建，具有可配置性发送器和基于DSP的接收器，使设计人员能够优化信号完整性和性能。在支持IEEE和光互连网络论坛（OIF）标准规范的同时，PHY还支持芯片到芯片、芯片到模块（铜缆和光纤）以及铜背板互连，信道损耗低至35dB。此外，嵌入式误码率测试仪和内部眼图监控器为通道性能提供了片上可测性和可见性。
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