力科（Teledyne LeCroy）公司的David Maliniak在2016年寫了一篇很好的文章，解釋了PAM4的基本原理。我們需要更多的數據，而且希望更快，Maliniak說道。在即將來臨的5G時代，NRZ編碼對于我們來說還不夠快，而NRZ型編碼也不能滿足這些需求。

我的同事Martin Rowe評論說，NRZ已死，而根據DesignCon 2018會議上一個專題為“閉眼場景”的討論小組的專家觀點，NRZ仍有用武之地。當然，在56GHz和短距離銅鏈路上，NRZ（稱為PAM2）仍然合適并且有用。但在其他場合，特別是在56Gbps和112Gbps，PAM4的四電平脈沖幅度調制將具有絕對優勢！

博通（Broadcom）公司在PAM4、PAM8和PAM16上都進行了試驗，發現PAM8和PAM16的眼睛太小，于是PAM4在56Gbps上凸顯出來。Rowe在DesignCon 2018之后提出了另一個觀點：112是新的56（Gbps）。

其他討論小組成員也有評論，比如前向糾錯（FEC）將使PAM4成為可能，DSP處理將會實現112Gbps等。本文稍后會討論這個問題。

高速電纜/連接器的重要性

有時我們會忘記，電纜和連接器可能是高速通道中最薄弱的環節。Samtec和Credo兩家公司今年在OFC 2018（美國光纖通訊展覽會及研討會）上展出了一個采用Samtec Flyover系統的演示。他們采用Credo的時鐘和數據恢復（CDR）芯片，設置了兩個112Gbps PAM4數據端口。信號通過射頻跳線傳送到Samtec的FQSFP-DD連接器的信號完整性（SI）表征卡。然后，信號再通過12英寸的Samtec超低偏斜雙軸電纜，到達Samtec加速高速電纜組件SI表征卡。

信號通路最終通過第二組RF跳線到第二個Credo CDR，最后我們在GUI上看到通道輸出，它顯示112Gbps PAM4數據以31位的偽隨機序列運行，誤碼率為2e-7（可以去Samtec網站上觀看視頻）。

瞧：我們對在一根相當長的電纜上傳輸高速信號有了概念證明！

挑戰和機遇

人們對帶寬（BW）的需求一直以令人眩目的速度增長，IC、系統和光纖行業正試圖達到一種新的信號傳輸速率，以滿足對帶寬的需求。IEEE 802.3正在為100GBASE-DR1開發100G信令，而400GBASE-DR4和OIF PLL工作組也開始了CEI-112G-PAM4-VSR的相關工作。MACOM公司早已預見到了這種趨勢，并且已經在實驗室中研究這種技術一年多了。

數據中心

對于數據中心內的通信，特別是在112Gbps的速率下，光分組交換提供了一種高效節能的方式。業界已經使用PAM4和PAM8進行預失真分析，并查看了三種光接收器。使用PAM8及一個半導體光放大器（SOA）-PIN和62.5GHz柵格，單級系統可連接48臺服務器。若使用兩級配置，可連接的服務器數量激增到1488個。可連接的服務器數量受兩個參數的限制：

（1）光功率預算，它取決于光接口的類型；

（2）波長信道的數量，它可以針對所用激光器的調諧頻帶、調諧機制的分辨率以及信道頻譜占用率來解決。

內部DC互連網絡占數據中心總功耗的23%；大多數網絡使用電分組交換機（EPS），它們通過光學連接，速度高達10Gbps。但是，現在可以實現40至100+Gbps的比特率。性能/成本比在這里很重要；目前的系統多使用4×25Gbps，或10×10Gbps等并行鏈路，有的甚至采用基于強度調制和直接檢測（IM-DD）的多電平格式。

我很高興地看到，使用低功耗模擬（電路或分組級）光交換降低了功率消耗，而數字（比特級）光交換則成了“數字白癡”。另外，光交換應該有助于降低由DC連接內部引入的延遲。

《Dimensioning of 112G Optical-Packet-Switching-Based Interconnects for Energy-Efficient Data Centers（用于高能效數據中心的112G光分組交換互連的尺寸確定）》一文的作者選擇使用光分組交換（OPS）來廢止數據中心連接中的EPS。無源光pod互連（POPI）具有一個簡單的使用光學星形耦合器的無源基礎架構。根據所需的傳輸容量，POPI可用于連接機架和服務器（圖1）。

圖1：在POPI架構中，機架1和2中的服務器共享所有的波長（紅色/綠色）。機架r的服務器使用不同的波長。

特別是在城域網（MAN）應用中，業界目前在研究依賴于可對波長快速調諧的激光器的技術，如時隙波長交織網（TWIN）。這類技術正受到設計工程師的重視，因為與其他方案相比，它們可以降低功耗和縮短延遲時間，這對服務器系統是至關重要的。將互連比特率提高到112Gbps，可以實現快速的服務器遷移，并且可以根據可用的電力和工作負載來關閉一些服務器。

長距離

Inphi公司在2015年面向云互連開發出了首款千兆以太網PAM4 IC芯片。由于100G數據中心到目前為止是采用四根25Gbps光纖/波長，這種100GHz光學PAM4調制方案通過在相同波特率下將比特/符號數加倍，可減少光纖數量。采用PAM4編碼、實時DSP和前向糾錯（FEC）技術，可以將復雜功能轉換到CMOS中。與目前使用的NRZ解決方案相比，這種方法可以以更低的成本提高帶寬。

《First demonstration of PAM4 transmissions for record reach and high-capacity SWDM links over MMF using 40G/100G PAM4 IC chipset with real-time DSP（使用帶實時DSP的40G/100G PAM4 IC芯片組在多模光纖（MMF）上使用PAM4傳輸實現創紀錄的距離和大容量短波波分復用（SWDM）鏈路的首次演示）》一文中使用了新的PAM4芯片組，針對標準的OM4和寬帶多模光纖（WBMMF）對采用實時DSP的鏈路性能及由此帶來的更小的芯片尺寸進行了研究，從而獲得40/50Gbps和100/200Gbps的速度升級。PAM4傳輸通過使用Ge/Si雪崩光電二極管（APD），能夠達到550m的比例紀錄，并通過實時的DSP處理，在WBMMF上實現212.5Gbps的匯總速率紀錄（圖2）。

圖2：此處顯示的PAM4測試架構用到（a）1λ 40/50Gbps垂直腔面發射激光器（VCSEL），（b）2λ（或更大）100/200Gbps VCSEL，并在插圖中顯示了850nm Tx光學眼圖和Rx DSP恢復直方圖; （c）顯示了傳統OM4和WBMMF的有效模式帶寬（EMB）與波長的關系。

該測試顯示在1310nm波長下、在長達40km距離內可實現無誤差傳輸，且在KP4 FEC閾值下具有極佳的裕量。該解決方案可實現CFP4和QSFP28等小尺寸模塊，與現有設計相比，可實現小得多的尺寸和更高的性能。

短距離

上世紀90年代后期，我曾是Burr-Brown公司的北電（Nortel）客戶經理/應用工程師，看到了北電開發的業界第一款相干光轉發器以40Gbps的速度運行。那時電信行業對于40G還沒有做好準備，因為電信運營商認為，地下已經鋪設太多“暗”光纖，他們希望在投資更快的系統之前先將這些數據管道填補好。

在過去10年左右，開發人員用正交幅度調制（QAM）嘗試了各種不同的波特率。最近的研究工作主要集中在帶DSP處理的相干QAM系統，以便在更高比特率下達到更長的傳輸距離。

上述系統中可以看到色散（CD）和偏振模式色散（PMD）問題——根據《Volterra and Wiener Equalizers for Short-Reach 100G PAM-4 Applications（沃爾泰拉和維納均衡器在短距離100G PAM-4上的應用）》一文，它們可分別由固定和自適應的線性均衡器校正（圖3）。

圖3：自適應均衡器框圖。

自適應濾波器通常用于實現噪聲和回聲消除、正弦抑制、均衡以及其他更多應用。

在圖3中，符號s通過具有傳遞函數H的信道發送出去。均衡濾波器可具有不同的結構，它帶有系數向量w和輸入樣本向量x，其中M是表示符號間干擾（ISI）傳播的濾波器跨度（M個采樣周期）。在這種情況下，對于這篇文章，我們假定M是奇數，=2K+1。wdc是直流分量。想了解更多詳情，請參閱此文。

沃爾泰拉和維納均衡器濾波器

維納濾波器將沃爾泰拉濾波器作為它的一個子集。在這篇文章中，作者使用了基于離散非線性維納模型的隨機梯度自適應算法。

作為維納濾波器的一個子集，沃爾泰拉均衡器濾波器擅長于半導體激光二極管失真、單模濾波器的傳遞函數和多模干涉耦合器內的非線性傳播等的建模。在沃爾泰拉系統中使用的最小均方（LMS）算法是一種隨機最陡下降算法，其中真實梯度向量通過直接從輸入和輸出信號獲得的估計值來近似，而且非常簡單。但是，當自相關矩陣特征值具有很大的散布范圍時，收斂慢是不可避免的。使用離散傅立葉變換（DFT）或格拉姆-施密特（Gram-Schmidt）正交化可獲得更好的正交性。

這篇文章確定有限沃爾泰拉濾波器最適合帶寬有限的系統。帶寬有限的系統需要雙二進制PAM4均衡器濾波器，而正交化在這里是不可能的。

在最后的分析中，這篇文章中的所有測試案例都確定三階沃爾泰拉濾波器足夠用于實現城域網和數據中心網絡市場中的低成本112Gbps PAM4接收器。

112G看起來正在很好地成熟，這一天也早該來了，因為云數據中心正在全球范圍內成倍增長。在OFC 2018展會上，Credo展示了他們的112G PAM4產品。

高速度和低功耗將是這一領域的主導動力，我相信未來幾年在這兩方面都能看到更多創新的技術出現。