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NRZ 與 PAM4 的差異：位元數、鮑率、眼圖張開度、FEC、規格世代比較

NRZ 以 2 個訊號位準在 1 個符號中傳送 1 位元，是最基本的方式。PAM4 以 4 個位準在 1 個符號中傳送 2 位元，因此在相同位元率下，鮑率（每秒的符號數）只需一半，可以避開傳輸通道在高頻的損耗。但相對地，同樣的振幅中縱向排列了 3 個眼，眼的高度約為 1/3，SNR 不利約 9.5 dB。因此，在 PAM4 的鏈路中，前向錯誤更正（FEC）幾乎是必要的。

項目NRZPAM4
訊號位準2 個（0 與 1）4 個（對應 2 位元的組合 00、01、11、10 等）
每個符號的位元數1 位元2 位元
相同位元率下的鮑率與位元率相同（例：64 Gbit/s 為 64 GBd）位元率的一半（例：64 Gbit/s 為 32 GBd）
奈奎斯特頻率鮑率的一半。為 PAM4 的 2 倍，傳輸通道的損耗大NRZ 的一半。在相同傳輸通道上損耗也較小
眼圖張開度1 個大眼縱向排列 3 個眼，各自的高度約為 NRZ 的 1/3
所需的 SNR基準在相同振幅下不利約 9.5 dB（20 log₁₀ 3）
FEC多半不需要，或以輕量的編碼即可幾乎必要。容許一定程度的 FEC 前位元錯誤率，再以 FEC 更正。延遲也因此增加
收發電路較簡單。以 1 個臨界值判定以 3 個臨界值判定，需要使位準間隔一致的高線性度。高速產品多以 ADC 與 DSP 接收
位元的分配1 個位準對應 1 位元以格雷碼分配，使相鄰位準的錯誤只造成 1 位元的錯誤
使用的規格範例到 PCI Express 5.0 為止（32 GT/s）、每通道 25 Gbit/s 等級以下的乙太網路PCI Express 6.0（64 GT/s）、每通道 50 Gbit/s 或 100 Gbit/s 以上的乙太網路、資料中心的光收發器

數值為具代表性的大致參考值，會因世代或產品而異。

適用於什麼情況

NRZ
每通道的速度在數十 Gbit/s 以內，且傳輸通道的損耗有餘裕時。想簡化電路並避免 FEC 造成的延遲時。
PAM4
每通道需要 50 Gbit/s 以上，而 NRZ 的鮑率過高、無法承受傳輸通道的損耗時。與 FEC 和強力的等化搭配使用。
思考方式
這是在提高鮑率與增加每個符號的位元數之間的選擇。PAM4 將頻率的問題轉換為 SNR 的問題，並以 FEC 彌補其不足。

常見問題

PAM4 比 NRZ 快嗎？

在相同鮑率下，PAM4 每個符號傳送 2 位元，因此位元率為 2 倍。反過來說，在相同位元率下，鮑率可以減半。無論哪一種，都是為了有效利用傳輸通道頻寬的方式，相對地對雜訊也較弱。

為什麼 PAM4 的 SNR 不利約 9.5 dB？

因為將相同的電壓擺幅分成 3 個間隔，相鄰位準的差約為 NRZ 的 1/3。這等同於訊號振幅變成 1/3，造成 20 log₁₀ 3 ≈ 9.5 dB 的不利。

為什麼 PAM4 需要 FEC？

因為位準間隔窄，容易因雜訊而造成位元錯誤。即使 FEC 前的位元錯誤率相當高，只要以錯誤更正碼一併修正，鏈路整體就能滿足所需的錯誤率。PCI Express 6.0 結合了抑制延遲的輕量 FEC，以及偵測到錯誤時的重傳。

為什麼 PCI Express 6.0 改用 PAM4？

若以 NRZ 傳送 PCI Express 5.0 的 32 GT/s 的 2 倍，也就是 64 GT/s，奈奎斯特頻率將達到 32 GHz，基板與連接器的損耗會過大。使用 PAM4 則可維持 32 GBd 而得到 2 倍的傳輸速率。

理解度檢測

下列關於PCI Express 6.0所採用的PAM4（4階脈衝振幅調變）之特徵，何者正確？

  1. A每個符號傳送1位元，使用0與1兩階電壓
  2. B以4階電壓在每個符號傳送2位元，因此在相同符號速率下可使位元速率加倍
  3. C是僅能用於光纖的方式，無法用於銅線
查看答案與解析

正確答案：B. 以4階電壓在每個符號傳送2位元，因此在相同符號速率下可使位元速率加倍

傳統的NRZ使用兩階電壓，每個符號傳送1位元。PAM4以四階電壓表示00、01、10、11，因此每個符號可傳送2位元。傳輸線路的頻率越高訊號衰減越大，因此不提高符號速率就能讓位元速率加倍是其優點。PCI Express 6.0在維持與第5代相同符號速率的情況下，藉由PAM4實現了64 GT/s。

使用PAM4時，相較於NRZ，錯誤更正（FEC）更為重要，其原因為下列何者？

  1. A因為PAM4無法取出時脈，所以每次都會發生錯誤
  2. B因為在相同振幅中放入4階，階與階的間隔約變為1/3，容易因雜訊而誤判位元
  3. C因為PAM4的訊號已被加密，所以需要更正解密的錯誤
查看答案與解析

正確答案：B. 因為在相同振幅中放入4階，階與階的間隔約變為1/3，容易因雜訊而誤判位元

若電壓擺幅相同，兩階的NRZ在0與1之間有整個擺幅的間隔，但四階的PAM4相鄰階之間的間隔約為1/3。雜訊裕度約減少9.5 dB，因此位元更容易出錯。於是PCI Express 6.0加入輕量的錯誤更正碼，在接收端更正微小的錯誤後再使用。

下列關於檢視高速串列訊號品質的眼圖（eye pattern，eye diagram），何者正確？

  1. A將大量位元的波形重疊繪製而成，中央的「眼睛」在縱向與橫向都張得越大，表示裕度越大
  2. B眼睛閉得越緊，訊號品質越好
  3. C是用來檢查人眼健康狀態的圖
查看答案與解析

正確答案：A. 將大量位元的波形重疊繪製而成，中央的「眼睛」在縱向與橫向都張得越大，表示裕度越大

眼圖是將每一個位元週期的波形切出並重疊繪製而成。在0與1的波形之間會形成眼睛形狀的空隙，其高度代表對雜訊的裕度，寬度代表對時序偏差（抖動，jitter）的裕度。傳輸線路的損耗、反射或抖動越大，眼睛就越閉合。接收電路是在這隻眼睛的中央判定位元，因此眼睛的張開程度可作為品質的指標。

  1. 以PAM4每個波長傳送約106 Gb/s（含錯誤更正碼等）的訊號時，其符號率（每秒的符號數）最接近下列何者？
  2. 在資料中心內光連接廣泛使用的強度調變/直接偵測（IM-DD）方式中使用PAM4時，作為4個值而改變的是下列何者？
  3. 像100吉位元乙太網路這樣的高速連接，有時是將例如4條25 Gb/s的通道合併而成。下列關於這種做法的敘述，何者正確？

前往介面與匯流排規格的練習題

相關名詞的解說

NRZ（不歸零）
以 2 階電壓，每個符號傳送 1 位元的最基本傳輸方式。是 Non-Return-to-Zero 的縮寫。
PAM4
以 4 階電壓，每個符號傳送 2 位元的調變方式。在相同符號速率下可使位元速率加倍，但雜訊裕度會變小。
眼圖（Eye diagram）
將大量位元的波形以每個週期為單位疊加繪製的圖。中央眼睛的高度表示對雜訊的裕度，寬度表示對時序偏移的裕度。
SerDes（序列化器／解序列化器）
Serializer/Deserializer。在傳送端將晶片內的並列資料轉換為一條高速位元流，在接收端還原為原本並列資料的電路。是高速序列傳輸實體層的核心。

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