摘要前言

在本系列兩篇文章的第一篇中Samtec漫談 | 電氣領域中的以小搏大/上篇，我們探討了如何利用物理原理實現“以小博大”。但傳輸電能只是其中一部分，數據的重要性同樣不容小覷。

如今各類系統對數據量的需求呈無上限增長趨勢，那么在數據領域，是否也能找到 “以小博大” 的方法呢？

對數據的需求永無止境

與電能不同，數據傳輸并不依賴更高的電能，而是更看重電能的利用方式。現代通信基于兩種狀態的差異——即數字計算中常說的 “1” 和 “0”。在將這類信息從一處傳輸到另一處時，設計師會采用“不歸零碼（non-return-to-zero，簡稱 NRZ）” 的方式。

該方式通過兩種電壓水平的差異來傳輸1個比特的信息。“不歸零” 的含義是，系統在傳輸相鄰比特時，不會恢復到中性電壓狀態，而是連續不斷地逐比特傳輸。

在理想情況下，發射器會生成方波來區分兩種電壓水平，這些方波（及對應的數據）能完好無損地到達接收器。脈沖長度可以無限縮短，唯一的限制是發射器在兩種電壓間切換的速度。但在現實中，有諸多因素會限制傳輸速度。

首先，兩種電壓間的切換并非瞬時完成。盡管切換所需時間極短（通常在萬億分之一秒級別），但現代系統的數據傳輸速率已達每秒千兆比特（Gbps）。這意味著，即便電壓上升時間微乎其微，仍會對傳輸造成顯著影響。電壓切換速度決定了數據傳輸的上限，芯片制造商不斷研發更新、更快的設備以提升數據傳輸能力，但數據需求的增長速度始終更快。

我們再次面臨物理定律的制約（別忘了，我們無法改變物理定律）。所有電纜都存在電阻，即便電流很小，電阻仍會導致高速信號衰減。若信號到達接收端時，兩種電壓的差異已變得模糊，接收器便難以識別其中的區別。

高速信號的特性

高速信號的特殊特性會進一步加劇這一問題。與傳統直流電不同，高頻信號往往會向導體表面聚集，這種現象被稱為“趨膚效應（skin effect）”。

趨膚效應會使信號實際占用的導體橫截面積縮小，進而導致電阻增大。

信號頻率越高，趨膚效應越明顯。

因此，通過單根電纜傳輸的數據量存在上限。由于數據速率與電壓或電流無關，我們無法通過“調高旋鈕” 的方式來提升數據流量：提高頻率反而會引發新的問題。那么，如何才能 “以小搏大”？如何提升通過電纜和連接器的數據速率？

增加電纜數量或許是一種解決方案，但這顯然與“以少求多” 的目標相悖。更多的電纜意味著更重的重量，這又會讓我們回到前文討論的重量問題上。

脈沖幅度調制PAM

不妨從信號本身入手思考：系統通過兩種電壓的差異傳輸數字信息。只要信號鏈調試得當，接收器就能識別這種差異，并將其解讀為一串“1” 和 “0”。

但如果接收器的作用只是識別不同電壓水平，那我們是否只能局限于兩種電壓呢？若接收器能區分四種電壓水平，會產生什么結果？

若能實現這一點，我們便可在不提高信號頻率的前提下，將信息傳輸量提升一倍。這正是“脈沖幅度調制（Pulse Amplitude Modulation，簡稱 PAM）”的核心原理，其中 “PAM4” 特指采用四種電壓水平的調制方式。

只要信號鏈能保持數據的穩定傳輸，利用這四種電壓水平，就能同時傳輸2個比特的信息。

眼圖可直觀展示NRZ與PAM4傳輸的電壓水平，從中能清晰看到 PAM4 如何實現 “以小搏大”——其信息傳輸量是NRZ的兩倍。眼圖中的空白區域（即 “眼睛”）代表信號的完整性。

若你曾在Samtec的展會的展臺上見過眼圖，便能理解其展示邏輯：眼圖會呈現接收器端的電壓情況，通過圖像可判斷信號質量。

NRZ 信號的眼圖中有兩條水平線，分別代表兩種電壓水平，曲線部分則是電壓在兩種水平間的切換過程。只要中間的 “眼睛” 區域呈深色，就說明信號接收狀態良好。

PAM4 的眼圖與之類似，但會顯示四種電壓水平而非兩種。同樣，只要空白區域呈深色，就表明信號完整性達標。

因此，采用PAM4技術可在不提高信號頻率的前提下，將信息傳輸量提升一倍。盡管對于單條鏈路而言，我們尚未完全實現 “以小博大”，仍需使用相同數量的電纜和連接器，但我們有兩種優化方向：要么通過現有基礎設施傳輸兩倍的數據量，要么用更少的電纜傳輸與原先等量的數據。無論哪種方式，都能提升 PAM4 系統的性能。

但事情真的這么簡單嗎？答案是否定的。設計PAM4系統需要更加關注信號完整性，以確保信息完好傳輸；同時，系統中的有源部件（發射器和接收器）也需具備更高性能，成本相應也會增加。

小 結

由此可見，PAM4是實現 “以小搏大” 的理想工具，但需要投入更多研發工作。對于部分應用場景，傳統的NRZ傳輸仍適用，且由于其受高速信號相關的信號完整性問題影響較小，穩定性可能更優。

但對于設計目標為224 Gbps及更高速率的系統而言，PAM4是不可或缺的技術。若你想深入了解PAM4及其在信號完整性中的重要作用，可聯系我們的信號完整性中心。那里的Samtec工程師們正夜以繼日地在線上和線下同時努力著~

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