當智能汽車正在不斷成長為一個個移動數據中心的時候，有商業頭腦的人正在思考：我該怎樣利用這些數據產生價值？

比如是否可以通過傳感器搜集車內人員身體的各項指標，并通過大數據分析車內人員的身體健康狀況，從而給車內人員個性化推薦健康保險產品、醫療保健產品、運動健身器材等。

而只有工程頭腦的我就比較厲害，一直在操心：這么大的數據該怎么傳輸呢？控制器內部怎么交流、控制器之間怎么互動、控制器與存儲器之間怎么喊話？閑來無事，翻閱了一些汽車下一代總線架構的資料，也確實發現了些有意思之處，總結了一下分享出來。

車載以太網已經無可爭議地成為下一代車內網絡的主干網絡，100/1000Base-T1使用的是PAM3調制方式，到了2.5/5/10GBase-T1的時候，變成了PAM4調制方式。

PCIE作為下一代中央計算架構下的片內高速實時通信解決方案的種子選手，在PCIE5.0的時候用的是NRZ調制方式，到了PCIE6.0的時候，變成了PAM4調制方式。

GDDR作為適配GPU而誕生的存儲技術，正在不斷迭代以滿足自動駕駛汽車需要高性能內存來處理大量的實時數據需求。而美光在其最新超帶寬解決方案GDDR6X上，使用了革命性的PAM4調制方式。

PAM4調制方式究竟何德何能，能同時俘獲總線、存儲等一眾大佬的芳心，本文我們一探究竟。

01 基礎

編碼、碼元、波特率、比特率是對下文理解比較關鍵的術語，我們先讓其拋個頭露個面。

（1）編碼：無論是GPU、CPU還是MCU，他們能夠處理的就是邏輯信號0和1。那我們用什么“符號”來告訴MCU，這個是邏輯信號0，那個是邏輯信號1呢？我們可以用5V高電平脈沖代表邏輯1，2V低電平脈沖代表邏輯0。用高低電平脈沖對應邏輯信號0/1的過程就是編碼。

（2）碼元：教科書般的解釋：在數字通信中常用時間間隔相同的“符號”來表示一個X（二、四或八等）進制數字，這樣的時間間隔內的信號稱為碼元。教科書一貫的表述方式，讓人一如既往地理解每個漢字卻理解不了這段話的意思。 廢話少敘，直接上圖。

如圖1所示，在0~0.2s的時間間隔內使用5V這個“符號”來表示二進制數字1，在0.2~0.4s的時間間隔內使用2V這個“符號”來標識二進制數字0……。每0.2s時間間隔，我們用電壓信號表示一個二進制數字，這個電壓信號就被稱為碼元。本例中，因碼元表示的是二進制數字0或1，因此被稱為二進制碼元。



圖1 二進制碼元

再來一個例子，如圖2所示。在 0 ~ 0.2s的時間間隔內使用5V這個“符號”來表示四進制數字11，在0.2~0.4s的時間間隔內使用3V這個“符號”來表示四進制數字10，在0.4~0.6s的時間間隔內使用0V這個“符號”來表示四進制數字00，在0.6~0.8s的時間間隔內使用2V這個“符號”來表示四進制數字01……。本例中，因碼元表示的是四進制數字00/01/10/11，因此被稱為四進制碼元。



圖2 四進制碼元

在上述例子中，“符號”用的是電壓值，除此之外，我們還常用信號幅度值、寬度值、頻率值等。

（3）比特率：數字信號的傳輸速率，它用單位時間內傳輸的二進制代碼的有效位（bit）來表示，其單位為每秒比特數（bit/s，bps）。

（4）波特率：數據信號對載波的調制速率，它用單位時間內載波調制狀態改變次數來標識，也就是單位時間內傳輸碼元的個數，其單位為波特（Baud）。1波特指每秒傳輸碼元的個數，上例中每秒傳輸5個碼元，所以波特率為5。一個碼元可以攜帶多個bit位信息。攜帶1bit數據時，比特率等于波特率，如上述例1；攜帶2bit數據時，比特率等于2倍的波特率，如上述例2；攜帶4bit數據時，比特率等于4倍的波特率，自己聯想。

02 NRZ

RZ編碼（Return-to-zero Code），即歸零編碼，正電平代表邏輯1，負電平代表邏輯0。在RZ編碼中每傳輸完一位數據，信號返回到零電平。也就是說，信號線上會出現3種電平：正電平、負電平、零電平。

圖3展示了對邏輯信號1011001進行RZ編碼的示例。從圖中可以看出，因為每位傳輸之后都要歸零，所以接收者只要在信號歸零后采樣即可，這樣就不再需要單獨的時鐘信號。實際上，RZ編碼就是相當于把時鐘信號編碼在了數據之內。這樣的信號也叫作自同步（ self-clocking）信號。



圖3 RZ編碼示例

RZ編碼可以節省時鐘數據線，但是“歸零”行為浪費了大量帶寬。為了充分利用越來越寶貴的帶寬資源，NRZ編碼（Non-Return-to-zero Code），即不歸零編碼方式誕生，最典型的特征就是不需要歸零了。 如圖4所示，NRZ編碼通過使用高、低兩種電平來標識邏輯信號1和0。顯然，相比RZ編碼，NRZ編碼帶寬提高了一倍，但代價就是丟失了自同步特性。沒有了自同步特性的NRZ編碼面對的挑戰就是如何讓接收端一目了然地知道發送端數據發送的速率，并且知道什么時候開始接收數據。



圖4 NRZ編碼示例

對一些低速異步傳輸，通信前，雙方設備約定好通信波特率，日子也能湊合著過，例如UART、CAN。但是若想傳輸高速同步數據，還是要多花幾個錢增加一根時鐘線，如I2C總線。于是部分工程師就在想，有沒有一種編碼，既能傳輸時鐘信號，又盡量不損失系統帶寬呢？ 還真就被這些工程師想出來了，這就是非歸零反相編碼（None Return Zero-Inverse，NRZ-I）。

NRZ-I編碼和NRZ編碼的區別就是NRZ-I編碼用信號的翻轉代表一個邏輯，信號保持不變代表另外一個邏輯，如圖5所示。



圖5 NRZ-I反向編碼 發送端把時間信息一起當作數據，按照雙方協定好的規則發出去，接收端可以按照既定的規則把數據和時鐘信息恢復出來以完成解碼操作。例如在USB的每個數據包中，最開始都有個同步域（SYNC），這個域固定為0000 0001。

這個域通過NRZ-I編碼之后，邏輯信號0會造成電平翻轉，所以接收者根據接收到的翻轉信號不斷調整同步頻率，從而實現發送和接收端時鐘同步。

同時USB協議還規定連續傳輸7個1，則必須在數據后強制插入一個0，來解決傳輸數據全是1（在NRZ-I編碼下不翻轉）的時候，接收端無法進行時鐘同步的問題。

03 PAM

無論是數據中心，還是車輛終端，數據都在呈指數級爆發式增長，為此我們需要越來越快的數據傳輸速度。最容易想到的方式是保持NRZ編碼方式不變，直接提升信號速率，比如從28Gbps提高到56Gbps，或者是增加鏈路通道數。

但是NRZ信號速率直接提升到56Gbps，這對芯片設計和工藝以及PCB和連接器來說都有極大的挑戰。一是隨著頻率的提高，碼間串擾、噪聲對有用信號的干擾、材料帶來的電器損耗和介質帶來的介質損耗都相應增加；二是隨著頻率的提高，均衡技術的難度增加，成本也增加。

基于以上背景，基于PAM的調制技術被重新提上日程。PAM（Pulse Amplitude Modulation，脈沖幅度調制），是一種將模擬信號用脈沖信號取樣，并截取出原始信號幅度的調制方法。如圖6所示，利用矩形脈沖載波信號采樣得到時域信號的幅度值，并在傳輸信道上，直接傳遞信號的幅度值。



圖6 PAM調制示例

在通信領域，最早應用的PAM調制方法是PAM3編碼，隨后被NRZ編碼取代，最近風頭正盛的是PAM4編碼。PAM4編碼作為多階調制技術的代表，已廣泛應用在高速信號互連領域。 四電平脈沖幅度調制（4-Level Pulse Amplitude Modulation，PAM4），就是使用4種不同的信號電平來進行邏輯信號傳輸，每個時鐘周期可以傳輸2個bit的邏輯信息（00、01、10、11）。

因此在相同波特率（碼元周期一致）下，PAM4信號比特速率是NRZ信號的2倍，傳輸速率提高一倍。 PAM4有三種方式來描述每個電平，{-3 -1 1 3}，{-1 -1/3 1/3 1}以及{0 1 2 3}。同時PAM4電平代表的二進制映射關系也有兩種，一種是傳統的線性編碼，另外一種則采用了格雷碼，當前很多規范里都推薦PMA4信號映射使用格雷碼。

因實現同樣的信號傳輸能力，PAM4信號的符號速率只需要達到NRZ信號的一半即可，因此傳輸通道對其造成的損耗大大減小。因其高效的傳輸速率，IEEE以太網標準組802.3已確定在400GE/200GE/50GE接口中的物理層采用PAM4編碼技術。

隨著未來技術的發展也不排除使用更多電平的PAM8甚至PAM16信號進行信息傳輸的可能性。 但是相比NRZ編碼，PAM4編碼的信噪比減少約9.6dB，也就是受干擾的能力減弱，PAM4采用PAM4編碼的系統基本不會有無誤碼運行的情況，為此PAM4引入前向糾錯碼（Forward Error Correction，FEC） FEC的實現是信號在被傳輸之前預先對其進行一定的格式處理，也就是通過數據流中對原始數據（Real Data）之外增加額外冗余校驗信息（Extra Data），如圖7所示。在接收端通過分析檢查這些冗余信息以及按規定的算法進行解碼，最終定位誤碼位置和修正出錯的碼。通常這種修正允許系統工作在比較高的誤碼率下。



圖7 FEC格式

FEC糾錯碼是非常有效地修正串行鏈路誤碼的一種途徑。FEC可以通過硬件實現也可用軟件實現，但軟件邏輯上實施FEC，空間成本和功耗成本非常之高，所以通常都普遍采用硬件方式實現FEC。 如上便是所有關于PAM4的科普。

審核編輯：劉清