全球各地正加速进入数位化转型期，5G移动通信提升了大容量视频和数据文件的发送和接收的速度,但面对汹涌的数据浪潮，数字世界的通路仍显拥挤，2020年爆发的COVID-19疫情让基础设施能力的弱点进一步暴露出来。为支持更大数据量、更快的传输，作为包括5G移动网络、有线网络以及云端数据交互的关键基础设施--数据中心，也在尽全力提升数据传输能力，100 GbE * 3升级到400 GbE以及800 GbE / 1.6 TbE传输已经为时不远。
PAM4被认为是下一代高速信号传输的主力编码调制技术。
PAM4 PAM(Pulse Amplitude Modulation 脉冲幅度调制)技术中的一种，也有人成为第四级PAM技术，是NRZ（Non-Return-to-Zero）信号传输技术的继任者。而NRZ则是自上世纪80年代以来，以太网等其它传输技术使用了几十年的信号调制技术。
PAM4与上一代NRZ信号波形和眼图对比 图片来源:Huawei.com
PAM4信号在数据传输时有4个电平状态，分别对应逻辑bit，00，01，10，11，即一个电平可以传输2bit数据。而NRZ信号1个电平状态只对应1个逻辑bit，正电压表示逻辑1，等效负电压表示逻辑0。
在NRZ信号传输中，波特率（baud/s）与比特率(bit/s)是1：1的关系，而PAM4由于每个baud携带2个bit数据，因此二者关系是1：2的比例。
同样条件下PAM4 可有效地將鏈路頻寬的資料速率加倍，且对现有网路基础设施的变动较小，可显著降低提升传输容量的成本。因此IEEE 以太网标准组802.3已确定在400GE/200GE/50GE高速接口中的PHY（物理层）采用50Gbps/lane PAM4编码，在尽可能节约成本的条件下，提升移动通信和光通信技术的传输能力。
移动通信运营商方面，5G发展缓慢的一个重要原因就是单位bit的传输成本在逐年上升。
中国移动通信运营商的流量与收入情况对比 资料来源:huawei.com
海量移动用户的短时视频、即时通信、游戏等应用成就了移动运营商的流量业务，以中国移动为例，在中国移动的收入结构中，流量收入已经成为其最主要的收入来源，远超其通话、短信息收入。然而从4G到5G这一过程中，移动网络承载的网路流量将会有2~3个数量级，也就是100被甚至1000倍的巨幅增长。用户流量的增长远远超过了，销售流量的收入增长，二者差距正越来越大。从上图中某运营商的数据可以看出，网络流量增长了10倍，但实际收入只增长了2倍，这让运营商在投入5G基础设施方面变得犹豫。PAM4技术这一应用领域正发挥重要作用，基于单通道50G PAM4技术的400GE/200GE/ 50GE可以很好适配5G对网络成本以及性能的诉求，构筑从接入、汇聚到核心网的完整解决方案。如能大幅度降低移动运营商的数据传输成本，那么5G网络距离真正意义上的普及就不远了。
在中长距离的数据传输中，NRZ 调制一直是非相干光通信的主要技术。但是随着传输速率的提升，到了200G/400G这一速率，NRZ调制在色散影响、光电转换带宽和成本方面都遇到了问题。25 G 以上的波特率，在中长距传输时，色散的影响开始显著；光电转换带宽在60 Gbit/s 以上出现了技术瓶颈，要采用新的材料及技术才能不断突破这个瓶颈。在通信领域，光电子技术需要24~36个月才能将传输能力翻倍，这不仅落后于摩尔定律18个月翻倍的速度，显然无法跟上海量增长的数量流量。借助成熟的cmos光技术以及PAM4这样的高级调制技术，在相同的比特速率的条件下，PAM4 的波特率只有NRZ 的一半，大大降低了光器件的带宽要求，降低光器件成本，可有效提升传输能力。
50GBASE-LR PMD架构
数据中心的光纤接口
PAM4也有明显的短板，就是设计更容易受到噪声的影响，因四个信号电平被打包成两个幅度摆幅。结果就是信噪比（SNR）较低，并且在测试中必须要分析收发信机设计中的噪声。PAM4使用前向纠错（FEC）方法来解决这个问题。FEC 是一种高级编码技术，它除了通过链路发送净荷之外，还发送必要的信息，以校正误码。FEC 带来新的测试挑战，必须在 PAM4 信号的物理层测试中加以考虑，设计人员。
参考资料：
50G-PAM4技术白皮书 来源：huawei.com
PAM4技术在光通信应用中的系统分析 来源：zte technology journal .2018.04
400GE数据中心收发信机测试：克服三大挑战 来源:keysight.com
