當(dāng)智能汽車正在不斷成長為一個個移動數(shù)據(jù)中心的時候，有商業(yè)頭腦的人正在思考：我該怎樣利用這些數(shù)據(jù)產(chǎn)生價值？

比如是否可以通過傳感器搜集車內(nèi)人員身體的各項指標(biāo)，并通過大數(shù)據(jù)分析車內(nèi)人員的身體健康狀況，從而給車內(nèi)人員個性化推薦健康保險產(chǎn)品、醫(yī)療保健產(chǎn)品、運動健身器材等。

而只有工程頭腦的我就比較厲害，一直在操心：這么大的數(shù)據(jù)該怎么傳輸呢？控制器內(nèi)部怎么交流、控制器之間怎么互動、控制器與存儲器之間怎么喊話？閑來無事，翻閱了一些汽車下一代總線架構(gòu)的資料，也確實發(fā)現(xiàn)了些有意思之處，總結(jié)了一下分享出來。

車載以太網(wǎng)已經(jīng)無可爭議地成為下一代車內(nèi)網(wǎng)絡(luò)的主干網(wǎng)絡(luò)，100/1000Base-T1使用的是PAM3調(diào)制方式，到了2.5/5/10GBase-T1的時候，變成了PAM4調(diào)制方式。

PCIE作為下一代中央計算架構(gòu)下的片內(nèi)高速實時通信解決方案的種子選手，在PCIE5.0的時候用的是NRZ調(diào)制方式，到了PCIE6.0的時候，變成了PAM4調(diào)制方式。

GDDR作為適配GPU而誕生的存儲技術(shù)，正在不斷迭代以滿足自動駕駛汽車需要高性能內(nèi)存來處理大量的實時數(shù)據(jù)需求。而美光在其最新超帶寬解決方案GDDR6X上，使用了革命性的PAM4調(diào)制方式。

PAM4調(diào)制方式究竟何德何能，能同時俘獲總線、存儲等一眾大佬的芳心，本文我們一探究竟。

01 基礎(chǔ)

編碼、碼元、波特率、比特率是對下文理解比較關(guān)鍵的術(shù)語，我們先讓其拋個頭露個面。

（1）編碼：無論是GPU、CPU還是MCU，他們能夠處理的就是邏輯信號0和1。那我們用什么“符號”來告訴MCU，這個是邏輯信號0，那個是邏輯信號1呢？我們可以用5V高電平脈沖代表邏輯1，2V低電平脈沖代表邏輯0。用高低電平脈沖對應(yīng)邏輯信號0/1的過程就是編碼。

（2）碼元：教科書般的解釋：在數(shù)字通信中常用時間間隔相同的“符號”來表示一個X（二、四或八等）進制數(shù)字，這樣的時間間隔內(nèi)的信號稱為碼元。教科書一貫的表述方式，讓人一如既往地理解每個漢字卻理解不了這段話的意思。 廢話少敘，直接上圖。

如圖1所示，在0~0.2s的時間間隔內(nèi)使用5V這個“符號”來表示二進制數(shù)字1，在0.2~0.4s的時間間隔內(nèi)使用2V這個“符號”來標(biāo)識二進制數(shù)字0……。每0.2s時間間隔，我們用電壓信號表示一個二進制數(shù)字，這個電壓信號就被稱為碼元。本例中，因碼元表示的是二進制數(shù)字0或1，因此被稱為二進制碼元。



圖1 二進制碼元

再來一個例子，如圖2所示。在 0 ~ 0.2s的時間間隔內(nèi)使用5V這個“符號”來表示四進制數(shù)字11，在0.2~0.4s的時間間隔內(nèi)使用3V這個“符號”來表示四進制數(shù)字10，在0.4~0.6s的時間間隔內(nèi)使用0V這個“符號”來表示四進制數(shù)字00，在0.6~0.8s的時間間隔內(nèi)使用2V這個“符號”來表示四進制數(shù)字01……。本例中，因碼元表示的是四進制數(shù)字00/01/10/11，因此被稱為四進制碼元。



圖2 四進制碼元

在上述例子中，“符號”用的是電壓值，除此之外，我們還常用信號幅度值、寬度值、頻率值等。

（3）比特率：數(shù)字信號的傳輸速率，它用單位時間內(nèi)傳輸?shù)亩M制代碼的有效位（bit）來表示，其單位為每秒比特數(shù)（bit/s，bps）。

（4）波特率：數(shù)據(jù)信號對載波的調(diào)制速率，它用單位時間內(nèi)載波調(diào)制狀態(tài)改變次數(shù)來標(biāo)識，也就是單位時間內(nèi)傳輸碼元的個數(shù)，其單位為波特（Baud）。1波特指每秒傳輸碼元的個數(shù)，上例中每秒傳輸5個碼元，所以波特率為5。一個碼元可以攜帶多個bit位信息。攜帶1bit數(shù)據(jù)時，比特率等于波特率，如上述例1；攜帶2bit數(shù)據(jù)時，比特率等于2倍的波特率，如上述例2；攜帶4bit數(shù)據(jù)時，比特率等于4倍的波特率，自己聯(lián)想。

02 NRZ

RZ編碼（Return-to-zero Code），即歸零編碼，正電平代表邏輯1，負電平代表邏輯0。在RZ編碼中每傳輸完一位數(shù)據(jù)，信號返回到零電平。也就是說，信號線上會出現(xiàn)3種電平：正電平、負電平、零電平。

圖3展示了對邏輯信號1011001進行RZ編碼的示例。從圖中可以看出，因為每位傳輸之后都要歸零，所以接收者只要在信號歸零后采樣即可，這樣就不再需要單獨的時鐘信號。實際上，RZ編碼就是相當(dāng)于把時鐘信號編碼在了數(shù)據(jù)之內(nèi)。這樣的信號也叫作自同步（ self-clocking）信號。



圖3 RZ編碼示例

RZ編碼可以節(jié)省時鐘數(shù)據(jù)線，但是“歸零”行為浪費了大量帶寬。為了充分利用越來越寶貴的帶寬資源，NRZ編碼（Non-Return-to-zero Code），即不歸零編碼方式誕生，最典型的特征就是不需要歸零了。 如圖4所示，NRZ編碼通過使用高、低兩種電平來標(biāo)識邏輯信號1和0。顯然，相比RZ編碼，NRZ編碼帶寬提高了一倍，但代價就是丟失了自同步特性。沒有了自同步特性的NRZ編碼面對的挑戰(zhàn)就是如何讓接收端一目了然地知道發(fā)送端數(shù)據(jù)發(fā)送的速率，并且知道什么時候開始接收數(shù)據(jù)。



圖4 NRZ編碼示例

對一些低速異步傳輸，通信前，雙方設(shè)備約定好通信波特率，日子也能湊合著過，例如UART、CAN。但是若想傳輸高速同步數(shù)據(jù)，還是要多花幾個錢增加一根時鐘線，如I2C總線。于是部分工程師就在想，有沒有一種編碼，既能傳輸時鐘信號，又盡量不損失系統(tǒng)帶寬呢？ 還真就被這些工程師想出來了，這就是非歸零反相編碼（None Return Zero-Inverse，NRZ-I）。

NRZ-I編碼和NRZ編碼的區(qū)別就是NRZ-I編碼用信號的翻轉(zhuǎn)代表一個邏輯，信號保持不變代表另外一個邏輯，如圖5所示。



圖5 NRZ-I反向編碼 發(fā)送端把時間信息一起當(dāng)作數(shù)據(jù)，按照雙方協(xié)定好的規(guī)則發(fā)出去，接收端可以按照既定的規(guī)則把數(shù)據(jù)和時鐘信息恢復(fù)出來以完成解碼操作。例如在USB的每個數(shù)據(jù)包中，最開始都有個同步域（SYNC），這個域固定為0000 0001。

這個域通過NRZ-I編碼之后，邏輯信號0會造成電平翻轉(zhuǎn)，所以接收者根據(jù)接收到的翻轉(zhuǎn)信號不斷調(diào)整同步頻率，從而實現(xiàn)發(fā)送和接收端時鐘同步。

同時USB協(xié)議還規(guī)定連續(xù)傳輸7個1，則必須在數(shù)據(jù)后強制插入一個0，來解決傳輸數(shù)據(jù)全是1（在NRZ-I編碼下不翻轉(zhuǎn)）的時候，接收端無法進行時鐘同步的問題。

03 PAM

無論是數(shù)據(jù)中心，還是車輛終端，數(shù)據(jù)都在呈指數(shù)級爆發(fā)式增長，為此我們需要越來越快的數(shù)據(jù)傳輸速度。最容易想到的方式是保持NRZ編碼方式不變，直接提升信號速率，比如從28Gbps提高到56Gbps，或者是增加鏈路通道數(shù)。

但是NRZ信號速率直接提升到56Gbps，這對芯片設(shè)計和工藝以及PCB和連接器來說都有極大的挑戰(zhàn)。一是隨著頻率的提高，碼間串?dāng)_、噪聲對有用信號的干擾、材料帶來的電器損耗和介質(zhì)帶來的介質(zhì)損耗都相應(yīng)增加；二是隨著頻率的提高，均衡技術(shù)的難度增加，成本也增加。

基于以上背景，基于PAM的調(diào)制技術(shù)被重新提上日程。PAM（Pulse Amplitude Modulation，脈沖幅度調(diào)制），是一種將模擬信號用脈沖信號取樣，并截取出原始信號幅度的調(diào)制方法。如圖6所示，利用矩形脈沖載波信號采樣得到時域信號的幅度值，并在傳輸信道上，直接傳遞信號的幅度值。



圖6 PAM調(diào)制示例

在通信領(lǐng)域，最早應(yīng)用的PAM調(diào)制方法是PAM3編碼，隨后被NRZ編碼取代，最近風(fēng)頭正盛的是PAM4編碼。PAM4編碼作為多階調(diào)制技術(shù)的代表，已廣泛應(yīng)用在高速信號互連領(lǐng)域。 四電平脈沖幅度調(diào)制（4-Level Pulse Amplitude Modulation，PAM4），就是使用4種不同的信號電平來進行邏輯信號傳輸，每個時鐘周期可以傳輸2個bit的邏輯信息（00、01、10、11）。

因此在相同波特率（碼元周期一致）下，PAM4信號比特速率是NRZ信號的2倍，傳輸速率提高一倍。 PAM4有三種方式來描述每個電平，{-3 -1 1 3}，{-1 -1/3 1/3 1}以及{0 1 2 3}。同時PAM4電平代表的二進制映射關(guān)系也有兩種，一種是傳統(tǒng)的線性編碼，另外一種則采用了格雷碼，當(dāng)前很多規(guī)范里都推薦PMA4信號映射使用格雷碼。

因?qū)崿F(xiàn)同樣的信號傳輸能力，PAM4信號的符號速率只需要達到NRZ信號的一半即可，因此傳輸通道對其造成的損耗大大減小。因其高效的傳輸速率，IEEE以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)組802.3已確定在400GE/200GE/50GE接口中的物理層采用PAM4編碼技術(shù)。

隨著未來技術(shù)的發(fā)展也不排除使用更多電平的PAM8甚至PAM16信號進行信息傳輸?shù)目赡苄浴?但是相比NRZ編碼，PAM4編碼的信噪比減少約9.6dB，也就是受干擾的能力減弱，PAM4采用PAM4編碼的系統(tǒng)基本不會有無誤碼運行的情況，為此PAM4引入前向糾錯碼（Forward Error Correction，F(xiàn)EC） FEC的實現(xiàn)是信號在被傳輸之前預(yù)先對其進行一定的格式處理，也就是通過數(shù)據(jù)流中對原始數(shù)據(jù)（Real Data）之外增加額外冗余校驗信息（Extra Data），如圖7所示。在接收端通過分析檢查這些冗余信息以及按規(guī)定的算法進行解碼，最終定位誤碼位置和修正出錯的碼。通常這種修正允許系統(tǒng)工作在比較高的誤碼率下。



圖7 FEC格式

FEC糾錯碼是非常有效地修正串行鏈路誤碼的一種途徑。FEC可以通過硬件實現(xiàn)也可用軟件實現(xiàn)，但軟件邏輯上實施FEC，空間成本和功耗成本非常之高，所以通常都普遍采用硬件方式實現(xiàn)FEC。 如上便是所有關(guān)于PAM4的科普。

審核編輯：劉清