PAM4 四电平信号
Four-Level Pulse Amplitude Modulation（PAM4）也称 四电平脉冲幅度调制、4-PAM、PAM-4、Gray-coded PAM4、三眼图
PAM4用四个幅度电平在每个码元中承载两bit，以更低码元率传输相同bit率，但付出更小电平间距、更复杂线性和错误分析代价。
速览
约 1 分钟NRZ只有两个电平和一只眼，PAM4有四个电平、三个判决阈值和三只眼。相同比特率下PAM4码元率约为NRZ一半，能缓解通道带宽压力；但相同总摆幅被分成三个间隔，噪声和非线性裕量显著变小，一个符号错误还可能对应一个或两个bit错误。
系统理解
约 3 分钟PAM4把bit对映射为四个幅度符号S0至S3，每码元携带2 bit，因此Rbit=2Rsymbol。常用Gray映射让相邻电平只差1 bit，以降低最常见相邻阈值错误造成的bit数；但跨越多个阈值时一个符号仍可能错2 bit，所以SER与BER不能无条件相等。
在相同bit率下，较低码元率使Nyquist频率约减半，缓解通道频率相关损耗与ISI。但若总峰峰摆幅相同，理想等间距PAM4的相邻电平间距仅为NRZ的三分之一，电压SNR代价约20log10(3)=9.54 dB。真实发送DAC/驱动器线性、接收阈值、噪声、串扰和均衡都更困难。
PAM4眼图由低、中、高三只眼组成，共用或分别使用采样相位和三阈值。电平不等距、眼高压缩、上升下降不一致和阈值偏置会让三眼性能不同；总链路受最弱眼限制。应分别报告各眼高度、宽度、中心、阈值、符号转换和SER轮廓，而不是只给一张整体截图。
可信验证需要明确Gray映射、码元率、码型、FEC观察点、均衡、CDR、阈值和样本数。PAM4常与FEC共同使用，但FEC不能修复模拟饱和、失锁或超过纠错能力的错误突发；pre-FEC符号与bit错误应保留，以便定位电平、阈值与特定转换。
承接SerDes、眼图、均衡与BER，向后连接FEC、接收机容限、多电平DAC/ADC、通道合规与高速以太网。
公式提示
关键参数
| 参数 | 单位 | 含义 |
|---|---|---|
| 码元率、bit率与UI | baud / bit/s / s | 定义线路带宽与采样周期 |
| 四电平、三阈值与三眼 | V | 决定每个符号的判决边界 |
| RLM、眼高、眼宽与眼偏斜 | — / V / UI | 量化电平线性和最弱眼 |
| Gray映射、SER与BER | ratio | 连接符号错误与bit错误 |
| 均衡、CDR与pre/post-FEC | — | 限定最终链路结论的观察点 |
常见误区
- 认为PAM4在相同bit率下不需要更高SNR
- 把四个电平当作四bit而不是每符号两bit
- 认为Gray编码使SER必然等于BER
- 只检查中间眼而忽略最弱的上下眼
- 认为FEC可无条件补偿任何闭眼和失锁
工程深入
16 条结论 · 1 道例题四电平与符号映射
带宽收益与SNR代价
PAM4以半码元率实现相同原始bit率
100 Gb/s单lane的理想PAM4码元率为50 Gbaud；若总摆幅0.9 V，理想相邻电平间隔为0.3 V。12
- ΔV
- 相邻电平间隔，单位 V
成立条件 不含编码和FEC；理想等间距；总峰峰摆幅0.9 V
例题：动手算一次教学假设，可复算
100 Gb/s PAM4且Vpp=0.9 V，求码元率和理想相邻间隔。
已知
- Rbit=100 Gb/s
- Vpp=0.9 V
步骤
- Rsymbol=100/2=50 Gbaud，每符号2 bit。
- ΔV=0.9/3=0.3 V，四电平形成三个间隔。
带宽下降同时缩小电压判决裕量。
不能外推到 实际编码、FEC、非线性和电平压缩会改变有效速率与各眼间隔。
三眼、阈值与线性
错误、均衡与FEC边界
出处
3 份资料 · 3 处引用- 1
Analyzing 26 to 53 GBd PAM4 Optical and Electrical Signals
- Web §2 PAM4 technologies; §4 compliance tests，Figures 1, 7–10 支持：PAM4用四个幅度符号承载bit对；PAM4 bit率是码元率的两倍；Gray映射让相邻电平只相差一个bit；SER与BER不能无条件相等；较低码元率降低相同bit率的Nyquist频率；相同总摆幅下相邻电平间距约为NRZ三分之一；PAM4带宽收益以更严格噪声与线性为代价；PAM4以半码元率实现相同原始bit率；PAM4形成低中高三只眼；最弱眼决定共同采样窗口；电平不等距暴露DAC与驱动非线性；十二种非自转换可具有不同边沿；整体眼图会隐藏特定转换和电平错误；PAM4通常依赖均衡与FEC共同达到业务错误率；PAM4 BERT需直接识别符号或明确双NRZ组合边界；三眼指标必须绑定参考接收机和概率口径
- 2
Error Analysis of PAM4 Signals
- Application Note pp.2–14，definitions, Gray coding, BER/SER, direct PAM4 error detection 支持：PAM4用四个幅度符号承载bit对；PAM4 bit率是码元率的两倍；Gray映射让相邻电平只相差一个bit；SER与BER不能无条件相等；较低码元率降低相同bit率的Nyquist频率；相同总摆幅下相邻电平间距约为NRZ三分之一；PAM4带宽收益以更严格噪声与线性为代价；PAM4以半码元率实现相同原始bit率；PAM4形成低中高三只眼；最弱眼决定共同采样窗口；电平不等距暴露DAC与驱动非线性；十二种非自转换可具有不同边沿；整体眼图会隐藏特定转换和电平错误；PAM4通常依赖均衡与FEC共同达到业务错误率；PAM4 BERT需直接识别符号或明确双NRZ组合边界；三眼指标必须绑定参考接收机和概率口径
- 3
Conformance Testing of 800G Ethernet Links for the Data Center
- Application Note pp.4–16，PAM4, pre/post-FEC, stressed-eye calibration and receiver tolerance 用于本页概述