作者：王欣 吳季元

“如何識別夜空中的星座，請幫詳細(xì)解答星座的形成與識別。”

當(dāng)我們問大語言模型（ChatGPT/豆包/Deepseek等）一個問題，它會在分鐘內(nèi)為你深度科普“天文”知識。

人工智能想要更“智能”，需要服務(wù)器進(jìn)行海量的訓(xùn)練；要數(shù)據(jù)處理能力更強(qiáng)，回復(fù)速度更快，需要提升通信網(wǎng)絡(luò)、服務(wù)器的數(shù)據(jù)傳輸速率。

當(dāng)前，數(shù)據(jù)中心服務(wù)器中主要負(fù)責(zé)處理數(shù)據(jù)的GPU網(wǎng)卡的算力最高已達(dá)PFLOPS量級（每秒鐘1千萬億次浮點運(yùn)算），相應(yīng)的網(wǎng)卡之間的高速數(shù)字接口協(xié)議從PCIe5.0/6.0的32 GT/s、64GT/s將升級到PCIe 7.0/8.0的128GT/s 和256GT/s，而以太網(wǎng)傳輸速率也在向800G/1.6T躍遷。

隨著高速數(shù)字信號的傳輸標(biāo)準(zhǔn)的升級，速率將不斷提升，PCIe 接口速率幾乎每三年翻一倍，同時，為提高傳輸速率，IEEE、OIF、JEDEC以及PCI-SIG等標(biāo)準(zhǔn)組織規(guī)定，PCIe 6.0/PCIe 7.0，400G/800G以太網(wǎng)的物理層編碼方式將用PAM4編碼取代NRZ編碼。那PAM4編碼到底是什么？有哪些優(yōu)勢和挑戰(zhàn)？和之前的NRZ編碼有哪些區(qū)別？

為什么需要數(shù)據(jù)編碼？什么是物理層編碼？

我們在電腦網(wǎng)頁，手機(jī)APP上向大模型（ChatGPT/豆包/Deepseek等）發(fā)出指令。

大模型的每一次“深度思考”和“秒回”，在通信系統(tǒng)都需要進(jìn)行一次完整的數(shù)據(jù)傳輸，這要經(jīng)過多次編碼、調(diào)制、傳輸、解碼，才能完成從鍵盤、電腦總線、網(wǎng)卡、光纖、電纜、交換機(jī)到數(shù)據(jù)中心服務(wù)器的傳遞。

為什么要進(jìn)行多次編碼呢？這是因為在計算機(jī)和數(shù)字通信系統(tǒng)中，無法直接傳遞文字、圖片和語音，信息需要通過編碼的形式變成0、1二進(jìn)制碼，在信息通信系統(tǒng)中傳輸。

我們知道計算機(jī)一般要遵循7層網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，即OSI（Open Systems Interconnection，開放系統(tǒng)互連）參考模型，每一層都有自己的編碼協(xié)議。物理層是最底層，包括真實可見的網(wǎng)卡的物理接口、網(wǎng)線、光纖、集線器（Hub）等，主要負(fù)責(zé)將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為可在物理介質(zhì)（如電纜、光纖、無線電波等）上傳輸?shù)碾?a target="_blank">信號、光信號或無線電信號。

圖：OSI 七層網(wǎng)絡(luò)模型圖

物理層編碼，主要是將二進(jìn)制碼轉(zhuǎn)換成光/電信號進(jìn)行傳輸。實際光/電信號傳輸電路中，可以利用高電平（如 3V）代表 1，低電平（如 0V）代表 0。而在光信號傳輸中，則通過光的有無或不同強(qiáng)度來表示。例如，有光時表示 1，無光時表示 0。這是最基本的物理層編碼過程。

比如我們向電腦網(wǎng)頁發(fā)出指令，鍵盤敲擊字母，就會通過觸發(fā)鍵盤內(nèi)部的電路矩陣的通斷，來轉(zhuǎn)換成識別碼，比如我們敲擊“K”,可能轉(zhuǎn)換成識別碼“0x4B”，之后再通過鍵盤內(nèi)部MCU轉(zhuǎn)換成二進(jìn)制碼（比如01001011），經(jīng)過USB總線傳輸?shù)?a target="_blank">CPU，并經(jīng)過PCIe總線經(jīng)由GPU到網(wǎng)口，再通過物理層介質(zhì)（電纜/光纖），層層傳遞給交換機(jī)，最后再到服務(wù)器。服務(wù)器接收到經(jīng)過傳輸?shù)男盘柡螅瑫ζ溥M(jìn)行放大、濾波等處理，以盡量恢復(fù)信號的原始形態(tài)。然后，根據(jù)編碼規(guī)則，判斷信號電平的高低，從而還原出原始的二進(jìn)制數(shù)據(jù)。

在數(shù)字信號傳輸系統(tǒng)中，信息數(shù)據(jù)傳遞的最小單位是比特，其實就是二進(jìn)制的0、1編碼，每一次0、1的傳輸都是1比特，比如以太網(wǎng)的800G，實際上是通過多通道實現(xiàn)每秒800G比特的傳輸速率。

每一次信號狀態(tài)的改變“從高電平到低電平”“從高電平到下一個高電平”，相應(yīng)也會觸發(fā)物理層一次電平的變化，也是一次“符號”“碼元”的變化，單位時間內(nèi)傳輸“符號”“碼元”數(shù)量，一般稱作“波特率”。比如PCIe 5.0的32GT/s，等于其符號速率，也就是波特率。

那么，在數(shù)字信號傳輸過程，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

如果數(shù)字信號是0000011111，在物理層傳輸?shù)碾娦盘枺詈唵沃苯拥姆绞剑恰暗偷偷偷偷透吒吒吒吒摺保⑶以诿總鬏斖暌晃粩?shù)據(jù)后，信號無需返回到零電平，這種編碼方式稱為“NRZ”編碼，即 Non - Return - to - Zero 編碼，是一種較為基礎(chǔ)且常用的數(shù)字信號編碼方式。

這時候，比特率=波特率。

但如果電信號長時間保持低電平和高電平，在接收端可能難以區(qū)分每個比特的起始位置，也會產(chǎn)生直流分量，導(dǎo)致衰減、失真，易受噪聲干擾，所以之后出現(xiàn)了曼徹斯特編碼，一次電平的跳變表示一個比特，比如用從低電平到高電平的變化表示 1，從高電平到低電平的變化表示0。

這樣每兩個不同的電平狀態(tài)只傳輸一個比特，如果我們把每個電平狀態(tài)看作一個符號，那么比特率=1/2波特率。

PAM4信號即4 - Level Pulse Amplitude Modulation（四電平脈沖幅度調(diào)制），是一種更為復(fù)雜但高效的調(diào)制技術(shù) 。與 NRZ 編碼僅使用兩種電平不同，PAM4通過四個電平（例如+3，+1，-3，-1）,表示四種比特數(shù)據(jù)（00,01,11,10）這樣能大幅提高比特傳輸效率。一次電平的變化，表示2個比特數(shù)據(jù)。這樣就能夠在波特率和NRZ信號相同的情況下，傳輸更多的比特數(shù)據(jù)。

對于PAM4信號來說，比特率=2*波特率。

那是不是都選擇比特傳播效率高的PAM4傳輸更好呢？

答案依然是，否定的。不同的編碼方式，除了信號的波特率和比特率關(guān)系不同，還存在其他差異，不同的應(yīng)用場景需要選擇適合其編碼方式。

NRZ編碼 VS PAM4編碼

我們主要看下NRZ和PAM4的優(yōu)勢對比。在傳輸過程中，信號會不可避免地受到噪聲、衰減等因素的影響。噪聲可能會使信號電平發(fā)生微小的波動，衰減則會導(dǎo)致信號強(qiáng)度逐漸減弱。

NRZ 編碼由于只有兩種電平狀態(tài)，編碼過程簡單，錯誤概率相對較低，數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃韵鄬Ω撸娖街g的間隔相對較大，因此具有較好的抗噪聲能力。在傳輸過程中，即使受到一定程度的噪聲干擾，信號電平也不容易發(fā)生誤判。

而 PAM4 編碼采用四個電平狀態(tài)，電平之間的間隔較小，對噪聲更為敏感。噪聲可能導(dǎo)致信號電平發(fā)生偏移，從而使接收端誤判信號所代表的邏輯信息，增加誤碼率。PAM4 編碼最突出的優(yōu)點是能夠大幅提升數(shù)據(jù)傳輸速率和帶寬效率。

但在高速串行電路中，如果電平長時間處在一個狀態(tài)，比如傳輸00001111信號，接收端會難以分清起始信號，同時可能會產(chǎn)生直流分量，并造成衰減，電磁干擾等問題。為了提高 PAM4 和 NRZ 編碼信號的傳輸性能，保證時鐘同步，Block Coding ( 塊編碼、分組編碼)和信號處理技術(shù)起著關(guān)鍵作用。

數(shù)字信號的物理層編碼方式除了包括NRZ/PAM4 等Line Coding (行編碼、線路編碼），還可以進(jìn)行Block Coding ( 塊編碼、分組編碼)，比如PCIe 5.0除了進(jìn)行NRZ編碼，還會進(jìn)行128b/130b；PCIe 6.0 除了進(jìn)行PAM4編碼還會進(jìn)行242b/256b編碼，通過插入同步序列、控制碼來標(biāo)記包的開始/結(jié)束、通道對齊。

Line Coding就是最基礎(chǔ)也是必需的編碼方式，基本原理是利用改變電壓（電平狀態(tài)）表示數(shù)字信號的二進(jìn)制0、1。Block Coding，則是在傳送端發(fā)送的原始數(shù)據(jù)中，以比特率不會超過信道容量為前提下，加入額外的比特，來提升數(shù)字信號的直流平衡、糾錯、同步等性能。諸如，128b/130b，就是把 128 bit 有效數(shù)據(jù)，加上 2 bit 控制信息，形成 130 bit 傳輸；242b/256b：把 242 bit 有效數(shù)據(jù)，加上 14 bit 控制信息 ，形成 256 bit 傳輸塊。

另外，一般高速數(shù)字信號還可以通過預(yù)加重、前向糾錯（FEC）和均衡算法等功能，保證信號的更高質(zhì)量傳輸。

在發(fā)送端，預(yù)加重技術(shù)可以增強(qiáng)信號的高頻部分，補(bǔ)償傳輸介質(zhì)對高頻信號的衰減，從而提高信號的傳輸距離和質(zhì)量。對于 PAM4 編碼信號，通過優(yōu)化預(yù)加重參數(shù)，可以使不同電平的信號在傳輸后更好地保持其差異性，降低誤碼率。在接收端，均衡技術(shù)可以對受到衰減和失真的信號進(jìn)行補(bǔ)償，恢復(fù)信號的原始形態(tài)。自適應(yīng)均衡技術(shù)能夠根據(jù)信號的實際傳輸情況，自動調(diào)整均衡參數(shù)，提高信號的解調(diào)準(zhǔn)確性。前向糾錯（FEC）技術(shù)通過在發(fā)送數(shù)據(jù)中添加冗余信息，使得接收端能夠檢測和糾正一定數(shù)量的誤碼。

對于 PAM4 編碼信號，由于其對噪聲敏感，F(xiàn)EC 技術(shù)尤為重要，可以有效提高信號傳輸?shù)目煽啃浴Ｍㄟ^合理應(yīng)用這些信號處理技術(shù)，可以在一定程度上克服傳輸介質(zhì)和噪聲干擾對 PAM4 和 NRZ 編碼傳輸性能的影響。

如何應(yīng)對PCIe6.0/7.0,以及800G/1.6T以太網(wǎng)信號測試挑戰(zhàn)？

? 針對發(fā)射機(jī)測試

PCIe 6.0編碼方式從 NRZ 轉(zhuǎn)變?yōu)?PAM4，眼高從 PCIe 5.0 的 15 mV 降至僅 6 mV，帶來顛覆性的挑戰(zhàn)。為了準(zhǔn)確測量僅 6 mV 的眼高，您需要噪聲性能更出色的示波器，而 Keysight UXR 示波器將是理想選擇。

是德科技Infiniium UXR-B 系列示波器具備5 至 110 GHz 帶寬，10bit ADC，標(biāo)配 500 Mpts 存儲深度，采樣率最高256GSa/s，相比之前延長了 2.5 倍的波形捕獲時間，本底噪聲更低（110 GHz 時的垂直噪聲不到 1 mVrms），抖動更小，固有抖動 < 25 fs（rms），通道間抖動 < 10 fs（rms），更寬帶寬、更高 ENOB 和更低本底噪聲，能夠有效的幫助客戶更高效、更精準(zhǔn)的應(yīng)對未來技術(shù)挑戰(zhàn)。

?針對接收機(jī)測試

PCIe 6.0的速度高達(dá) 64 GT/s，受信道高頻損耗特性的影響，PCIe 接收機(jī)接收到的信號常常會出現(xiàn)大幅減損，導(dǎo)致比特誤碼率（BER）難以滿足需求。因此需要采用前向糾錯（FEC）處理比特誤碼，同時進(jìn)行信噪失真比（SNDR）等新測量。

Keysight M8040A 64 GBaud 高性能誤碼儀是是德科技唯一一款獲準(zhǔn)用于標(biāo)準(zhǔn)套件（Gold Suite）PCIe 接收機(jī)測試且支持 PAM4 的 BERT。

M8040A 高性能 BERT 的跳變時間短，固有抖動更低，能夠產(chǎn)生數(shù)據(jù)速率高達(dá) 64 GBaud 的純凈 NRZ 和 PAM4 信號。誤碼接收機(jī)具有真正的實時 PAM4 誤碼檢測能力，數(shù)據(jù)速率高達(dá) 58 GBaud；內(nèi)置去加重、接收機(jī)均衡和時鐘恢復(fù)功能；內(nèi)置校準(zhǔn)過的抖動注入源，支持RJ、PJ1、PJ2、SJ、BUJ 和時鐘/2 抖動注入；每個模塊有最多兩個碼型發(fā)生器通道，可用于模擬干擾源通道；支持8/16/32/64 GT/s PCI Express 交互式鏈路訓(xùn)練和 SKP OS 過濾；可以通過算法生成標(biāo)準(zhǔn) PRBS、QPRBS 碼型，也可以使用保存在存儲器中的碼型，或通過碼型序列發(fā)生自定義的碼型序列；可用于 PAM4、Gray 編碼、FEC 編碼、預(yù)編碼器和誤碼分布的分析。

? 針對1.6T 以太網(wǎng)的接收機(jī)和發(fā)射機(jī)測試

M8050A BERT 與 Keysight UXR 系列 80 GHz 示波器相結(jié)合，可以構(gòu)成一個完整的測試解決方案，對以太網(wǎng)系統(tǒng)進(jìn)行全面評測。

未來還會有PAM8和PAM16嗎？

未來還會有更高階的脈沖幅度調(diào)制技術(shù)嗎？

目前，PAM6/PAM8 更多處于技術(shù)探索階段，用于驗證高階調(diào)制在高速場景的可行性。理論上，PAM8、PAM16 等能夠進(jìn)一步提高傳輸速率和帶寬效率，但需要克服信號對噪聲和干擾更為敏感、解碼復(fù)雜度極高的難題 。

面對新興技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的不斷升級，技術(shù)工程師需要不斷學(xué)習(xí)配合高性能儀表，才能更高效的獲得更精準(zhǔn)的測試結(jié)果。

關(guān)于是德科技

是德科技（NYSE：KEYS）啟迪并賦能創(chuàng)新者，助力他們將改變世界的技術(shù)帶入生活。作為一家標(biāo)準(zhǔn)普爾 500 指數(shù)公司，我們提供先進(jìn)的設(shè)計、仿真和測試解決方案，旨在幫助工程師在整個產(chǎn)品生命周期中更快地完成開發(fā)和部署，同時控制好風(fēng)險。我們的客戶遍及全球通信、工業(yè)自動化、航空航天與國防、汽車、半導(dǎo)體和通用電子等市場。我們與客戶攜手，加速創(chuàng)新，創(chuàng)造一個安全互聯(lián)的世界。