一文详解物理层编码技术NRZ和PAM4

作者：王欣 吴季元

“如何识别夜空中的星座，请帮详细解答星座的形成与识别。”

当我们问大语言模型（ChatGPT/豆包/Deepseek等）一个问题，它会在分钟内为你深度科普“天文”知识。

人工智能想要更“智能”，需要服务器进行海量的训练；要数据处理能力更强，回复速度更快，需要提升通信网络、服务器的数据传输速率。

当前，数据中心服务器中主要负责处理数据的GPU网卡的算力最高已达PFLOPS量级（每秒钟1千万亿次浮点运算），相应的网卡之间的高速数字接口协议从PCIe5.0/6.0的32 GT/s、64GT/s将升级到PCIe 7.0/8.0的128GT/s 和256GT/s，而以太网传输速率也在向800G/1.6T跃迁。

随着高速数字信号的传输标准的升级，速率将不断提升，PCIe 接口速率几乎每三年翻一倍，同时，为提高传输速率，IEEE、OIF、JEDEC以及PCI-SIG等标准组织规定，PCIe 6.0/PCIe 7.0，400G/800G以太网的物理层编码方式将用PAM4编码取代NRZ编码。那PAM4编码到底是什么？有哪些优势和挑战？和之前的NRZ编码有哪些区别？

为什么需要数据编码？什么是物理层编码？

我们在电脑网页，手机APP上向大模型（ChatGPT/豆包/Deepseek等）发出指令。

大模型的每一次“深度思考”和“秒回”，在通信系统都需要进行一次完整的数据传输，这要经过多次编码、调制、传输、解码，才能完成从键盘、电脑总线、网卡、光纤、电缆、交换机到数据中心服务器的传递。

为什么要进行多次编码呢？这是因为在计算机和数字通信系统中，无法直接传递文字、图片和语音，信息需要通过编码的形式变成0、1二进制码，在信息通信系统中传输。

我们知道计算机一般要遵循7层网络架构，即OSI（Open Systems Interconnection，开放系统互连）参考模型，每一层都有自己的编码协议。物理层是最底层，包括真实可见的网卡的物理接口、网线、光纤、集线器（Hub）等，主要负责将数据转换为可在物理介质（如电缆、光纤、无线电波等）上传输的电信号、光信号或无线电信号。

图：OSI 七层网络模型图

物理层编码，主要是将二进制码转换成光/电信号进行传输。实际光/电信号传输电路中，可以利用高电平（如 3V）代表 1，低电平（如 0V）代表 0。而在光信号传输中，则通过光的有无或不同强度来表示。例如，有光时表示 1，无光时表示 0。这是最基本的物理层编码过程。

比如我们向电脑网页发出指令，键盘敲击字母，就会通过触发键盘内部的电路矩阵的通断，来转换成识别码，比如我们敲击“K”,可能转换成识别码“0x4B”，之后再通过键盘内部MCU转换成二进制码（比如01001011），经过USB总线传输到CPU，并经过PCIe总线经由GPU到网口，再通过物理层介质（电缆/光纤），层层传递给交换机，最后再到服务器。服务器接收到经过传输的信号后，会对其进行放大、滤波等处理，以尽量恢复信号的原始形态。然后，根据编码规则，判断信号电平的高低，从而还原出原始的二进制数据。

在数字信号传输系统中，信息数据传递的最小单位是比特，其实就是二进制的0、1编码，每一次0、1的传输都是1比特，比如以太网的800G，实际上是通过多通道实现每秒800G比特的传输速率。

每一次信号状态的改变“从高电平到低电平”“从高电平到下一个高电平”，相应也会触发物理层一次电平的变化，也是一次“符号”“码元”的变化，单位时间内传输“符号”“码元”数量，一般称作“波特率”。比如PCIe 5.0的32GT/s，等于其符号速率，也就是波特率。

那么，在数字信号传输过程，波特率一定等于比特速率么？

答案是，否定的。

波特率 VS 比特率

如果数字信号是0000011111，在物理层传输的电信号，最简单直接的方式，是“低低低低低高高高高高”，并且在每传输完一位数据后，信号无需返回到零电平，这种编码方式称为“NRZ”编码，即 Non - Return - to - Zero 编码，是一种较为基础且常用的数字信号编码方式。

这时候，比特率=波特率。

但如果电信号长时间保持低电平和高电平，在接收端可能难以区分每个比特的起始位置，也会产生直流分量，导致衰减、失真，易受噪声干扰，所以之后出现了曼彻斯特编码，一次电平的跳变表示一个比特，比如用从低电平到高电平的变化表示 1，从高电平到低电平的变化表示0。

这样每两个不同的电平状态只传输一个比特，如果我们把每个电平状态看作一个符号，那么比特率=1/2波特率。

PAM4信号即4 - Level Pulse Amplitude Modulation（四电平脉冲幅度调制），是一种更为复杂但高效的调制技术 。与 NRZ 编码仅使用两种电平不同，PAM4通过四个电平（例如+3，+1，-3，-1）,表示四种比特数据（00,01,11,10）这样能大幅提高比特传输效率。一次电平的变化，表示2个比特数据。这样就能够在波特率和NRZ信号相同的情况下，传输更多的比特数据。

对于PAM4信号来说，比特率=2*波特率。

那是不是都选择比特传播效率高的PAM4传输更好呢？

答案依然是，否定的。不同的编码方式，除了信号的波特率和比特率关系不同，还存在其他差异，不同的应用场景需要选择适合其编码方式。

NRZ编码 VS PAM4编码

我们主要看下NRZ和PAM4的优势对比。在传输过程中，信号会不可避免地受到噪声、衰减等因素的影响。噪声可能会使信号电平发生微小的波动，衰减则会导致信号强度逐渐减弱。

NRZ 编码由于只有两种电平状态，编码过程简单，错误概率相对较低，数据传输的可靠性相对高，电平之间的间隔相对较大，因此具有较好的抗噪声能力。在传输过程中，即使受到一定程度的噪声干扰，信号电平也不容易发生误判。

而 PAM4 编码采用四个电平状态，电平之间的间隔较小，对噪声更为敏感。噪声可能导致信号电平发生偏移，从而使接收端误判信号所代表的逻辑信息，增加误码率。PAM4 编码最突出的优点是能够大幅提升数据传输速率和带宽效率。

但在高速串行电路中，如果电平长时间处在一个状态，比如传输00001111信号，接收端会难以分清起始信号，同时可能会产生直流分量，并造成衰减，电磁干扰等问题。为了提高 PAM4 和 NRZ 编码信号的传输性能，保证时钟同步，Block Coding ( 块编码、分组编码)和信号处理技术起着关键作用。

数字信号的物理层编码方式除了包括NRZ/PAM4 等Line Coding (行编码、线路编码），还可以进行Block Coding ( 块编码、分组编码)，比如PCIe 5.0除了进行NRZ编码，还会进行128b/130b；PCIe 6.0 除了进行PAM4编码还会进行242b/256b编码，通过插入同步序列、控制码来标记包的开始/结束、通道对齐。

Line Coding就是最基础也是必需的编码方式，基本原理是利用改变电压（电平状态）表示数字信号的二进制0、1。Block Coding，则是在传送端发送的原始数据中，以比特率不会超过信道容量为前提下，加入额外的比特，来提升数字信号的直流平衡、纠错、同步等性能。诸如，128b/130b，就是把 128 bit 有效数据，加上 2 bit 控制信息，形成 130 bit 传输；242b/256b：把 242 bit 有效数据，加上 14 bit 控制信息 ，形成 256 bit 传输块。

另外，一般高速数字信号还可以通过预加重、前向纠错（FEC）和均衡算法等功能，保证信号的更高质量传输。

在发送端，预加重技术可以增强信号的高频部分，补偿传输介质对高频信号的衰减，从而提高信号的传输距离和质量。对于 PAM4 编码信号，通过优化预加重参数，可以使不同电平的信号在传输后更好地保持其差异性，降低误码率。在接收端，均衡技术可以对受到衰减和失真的信号进行补偿，恢复信号的原始形态。自适应均衡技术能够根据信号的实际传输情况，自动调整均衡参数，提高信号的解调准确性。前向纠错（FEC）技术通过在发送数据中添加冗余信息，使得接收端能够检测和纠正一定数量的误码。

对于 PAM4 编码信号，由于其对噪声敏感，FEC 技术尤为重要，可以有效提高信号传输的可靠性。通过合理应用这些信号处理技术，可以在一定程度上克服传输介质和噪声干扰对 PAM4 和 NRZ 编码传输性能的影响。

如何应对PCIe6.0/7.0,以及800G/1.6T以太网信号测试挑战？

? 针对发射机测试

PCIe 6.0编码方式从 NRZ 转变为 PAM4，眼高从 PCIe 5.0 的 15 mV 降至仅 6 mV，带来颠覆性的挑战。为了准确测量仅 6 mV 的眼高，您需要噪声性能更出色的示波器，而 Keysight UXR 示波器将是理想选择。

是德科技Infiniium UXR-B 系列示波器具备5 至 110 GHz 带宽，10bit ADC，标配 500 Mpts 存储深度，采样率最高256GSa/s，相比之前延长了 2.5 倍的波形捕获时间，本底噪声更低（110 GHz 时的垂直噪声不到 1 mVrms），抖动更小，固有抖动 < 25 fs（rms），通道间抖动 < 10 fs（rms），更宽带宽、更高 ENOB 和更低本底噪声，能够有效的帮助客户更高效、更精准的应对未来技术挑战。

?针对接收机测试

PCIe 6.0的速度高达 64 GT/s，受信道高频损耗特性的影响，PCIe 接收机接收到的信号常常会出现大幅减损，导致比特误码率（BER）难以满足需求。因此需要采用前向纠错（FEC）处理比特误码，同时进行信噪失真比（SNDR）等新测量。

Keysight M8040A 64 GBaud 高性能误码仪是是德科技唯一一款获准用于标准套件（Gold Suite）PCIe 接收机测试且支持 PAM4 的 BERT。

M8040A 高性能 BERT 的跳变时间短，固有抖动更低，能够产生数据速率高达 64 GBaud 的纯净 NRZ 和 PAM4 信号。误码接收机具有真正的实时 PAM4 误码检测能力，数据速率高达 58 GBaud；内置去加重、接收机均衡和时钟恢复功能；内置校准过的抖动注入源，支持RJ、PJ1、PJ2、SJ、BUJ 和时钟/2 抖动注入；每个模块有最多两个码型发生器通道，可用于模拟干扰源通道；支持8/16/32/64 GT/s PCI Express 交互式链路训练和 SKP OS 过滤；可以通过算法生成标准 PRBS、QPRBS 码型，也可以使用保存在存储器中的码型，或通过码型序列发生自定义的码型序列；可用于 PAM4、Gray 编码、FEC 编码、预编码器和误码分布的分析。

? 针对1.6T 以太网的接收机和发射机测试

M8050A BERT 与 Keysight UXR 系列 80 GHz 示波器相结合，可以构成一个完整的测试解决方案，对以太网系统进行全面评测。

未来还会有PAM8和PAM16吗？

未来还会有更高阶的脉冲幅度调制技术吗？

目前，PAM6/PAM8 更多处于技术探索阶段，用于验证高阶调制在高速场景的可行性。理论上，PAM8、PAM16 等能够进一步提高传输速率和带宽效率，但需要克服信号对噪声和干扰更为敏感、解码复杂度极高的难题 。

面对新兴技术标准的不断升级，技术工程师需要不断学习配合高性能仪表，才能更高效的获得更精准的测试结果。

关于是德科技

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