过去50年来，数位电子产品藉由不归零(NRZ)讯号传输，在通讯通道中传递1和0而蓬勃发展。**的工程技术，伴随着印刷电路板(PCB)及半导体的进步，促使时脉频率不停地增加。事实上，在我们的产业中，有许多数位序列标准正以数Gb/s位元的速率执行。

然而，这个产业正因NRZ讯号传输速度日益提升，而面临了巨大的障碍。PCB材料在较高频率时造成讯号显着衰减，降低了可额外增加的速率范围。为了在技术上达到更高资料传输速率，四阶脉冲振幅调变(PAM-4)讯号传输因而崛起。即将到来的变革，将会对工程师用于除错和测试高速序列汇流排实体层的方法及工具带来巨大影响。

针对NRZ讯号传输，每一次只依序传输一个资料位元。在有效的时间内，讯号可依据不同的电压位准代表1或是0，意即每个符号具有一个位元编码。图1显示NRZ讯号传输及其所产生的眼图。眼图测量被广泛用于检验通讯通道的品质，在除错及验证各种NRZ序列标准上具有极重要的地位；这些NRZ序列标准包括乙太网路、PCIe、USB、SATA、SAS、HDMI、DVI、Thunderbolt以及MIPI。符号改变的速率(定义为波特率)相当于NRZ讯号中的位元速率。这些讯号的奈奎斯特频率(Nyquist frequency)则为位元速率的二分之一，藉由提高讯号的基本奈奎斯特频率，就能得到较快的位元速率。

图1：NRZ讯号把单个位元编码在一个符号中，并在多次量测后产生传统眼图

PAM-4讯号传输

PAM-4讯号传输能实现四种可能的电压位准，产生如图2显示的3个堆叠眼图。四个独特的电压位准，让每个符号代表2个位元。波特率(Baud Rate)指的是每秒发生的讯号数或符号变化。对于指定的波特率或是基本奈奎斯特频率，PAM-4技术可以得到两倍于NRZ讯号传输的位元速率。使用同样的波特率，PAM-4可达到两倍的传输吞吐量。换句话说，若使用一半的波特率，PAM-4就能达到和NRZ一样的传输吞吐量。

图2：在相同波特率下，PAM-4产生较NRZ讯号传输更高一倍的传输吞吐量。PAM-4藉由使用4个电压位准，以及在一个讯号上编码两个位元而实现这个结果。在交会转换时产生一个具有3个清楚眼睛的眼图

举例比较PAM-4和NRZ的差别。如果我们想建立一个具有50GB/s位元速率或是吞吐量的通讯通道，使用NRZ讯号达到50Gb/s时，波特率也是50Gb/s位元速率，而讯号的奈奎斯特频率将会是25GHz。而如果使用PAM-4讯号传输达到同样的50Gb/s位元速率，需要25Gb/s的波特率以及12.5GHz的奈奎斯特频率。PAM-4以NRZ讯号传输所需的二分之一波特率，就达到了同样的50Gb/s位元速率。这为什么如此重要？

由于PCB材料的高频衰减，使得部份应用必须转向PAM-4技术。以400G乙太网路为例，即使有先进的PCB材料，通道损耗在56Gb/s NRZ时仍接近-40dB。针对其他应用，经济考量则是使用低成本PCB材料和连接器的*大因素。

NRZ讯号传输是否会持续用于一些Gb/s应用上？答案是必然的。对于现存以及未来的大量电子应用来说，NRZ讯号传输速率已足够因应需求。NRZ讯号传输的速率从1980年代的数MHz，已在1990年代时进展到十几个MHz了。等化技术，例如在发射器端去加重，并耦合如连续时间线性等化(CTLE)和决策回授等化(DFE)等接收器技术，让NRZ能支援许多标准规格，如以8Gb/s执行的PCIe Gen3技术或以10GB/s执行的USB 3.1。对于超过10GB/s位元速率的产品，设计团队将会有更强烈的动机考虑PAM建置的形式。

400G乙太网路可能是*先使用PAM-4讯号传输的大规模部署之一。在讲求更高速的资料中心设施中，400G乙太网路将占有一席之地。一种常见的100G乙太网路应用是由4条25Gb/s NRZ讯号传输通道所组成。400G乙太网路的通讯通道则需要四倍的100G乙太网路传输吞吐量。400G的建置*可能采用8条25Gbaud的PAM-4讯号传输。以双倍的通道，再加上使用PAM-4讯号传输，可以达到等同于4倍100G乙太网路所需的传输吞吐量。

随着其他的序列标准即将超越20Gb/s NRZ位元速率，我们可预期一大部份的应用都将转为某种形式的PAM，它可能会是PAM-3、PAM-4或是其他PAM-n建置。

PAM-4带来了大量的量测新挑战。相较于单一的NRZ构成，PAM-4在同样的垂直范围内会有三眼，因而其讯号杂讯比(SNR)相对较低。这使得量测设备必须要具备较低的杂讯。之前，测试设备并不需要针对眼图来设定多种阈值。由于在交会时不同的上升和下降时间，符号间干扰(ISI)可能会更加显着。眼图上显示的眼睛可能会彼此歪斜，眼睛的高度也可能不对称，造成其中一眼或多眼的振幅压缩。在示波器上执行的等化应用和误码率测试(BERT)都是为了NRZ讯号传输而设计的。

接收器测试

PAM-4在接收器和发收器测试上，都带来了许多新的量测挑战。针对接收器测试，BERT被视为*佳的实体层Gb/s序列标准测试仪器，提供了图形产生和误差侦测来量测误码率，同时还能输入抖动讯号以加重眼图。传统BERT的挑战来自于这项技术是为了NRZ讯号传输而设计的。BERT在先天上并未提供多位准图形产生的能力。使用者可以结合两个BERT NRZ通道，创建一个PAM-4通道，并将其中一个通道衰减6dB；但是这个方式太过于复杂，而且对大部份使用者来说都非常昂贵。同样地，它在技术上并未提供PAM-4眼图所需的多位准加重测试。

对于PAM-4接收器测试而言，高速任意波形产生器(AWG)是一个较好的替代方案。AWG的任意本质让它能产生各种PAM-4加重型态。其灵活性则使其成为一款**的测试工具，不论是针对演进中的标准或是尚未被确定的测试方式。除了PAM-4之外，AWG还能提供PAM-3、PAM-5或未来其他PAM-n方案的接收器测试。图3显示使用AWG进行接收器加重测试的实例。

图3：除了在NRZ讯号传输中常见的传统抖动型态，PAM-4接收器还必须对其他失真或杂讯敏感。PAM-4的眼图可能会在时域中彼此歪斜。或者，以电压的观点而言，也许会有非线性垂直现象造成如图所示的振幅压缩。透过Keysight M8195A的65Gsa/s高速任意波形产生器可以执行所需的PAM-4接收器压力测试

发射器测试

Gigabit的NRZ序列标准长期以来使用示波器进行发射器测试。示波器厂商开发了可在取样示波器上执行的PAM-4分析应用，通常为数位通讯分析仪(DCA)和即时示波器。这些PAM-4应用让仪器得以展开并测量PAM-4的眼，如图4所示。这也能让示波器被用于PAM-4发射器的测试。

PAM-4讯号较NRZ讯号具有更低的SNR。这使得所使用的工具必须有低杂讯。DCA为PAM-4测试提供了*低的杂讯、*低的抖动，以及*低的价格/频宽。这些属性使其非常适用于测量PAM-4。在一些PAM-4系统中，DCA需要一个外部触发源，因而比不需外部触发的即时示波器存在更多限制。即时示波器也在闭合或是减损眼图的显示上更具优势，并提供更多的PAM-4除错功能。两种PAM-4应用的示波器皆为3个PAM-4眼图提供了眼睛高度与宽度的测量。

图4：PAM-4发射器测试，可选配在示波器上执行眼图分析的应用程式。左图为执行Keysight DCA的PAM-4眼图，右图为63GHz Infiniium即时示波器的示例。示波器的PAM-4应用程式自动地回复嵌入式时脉，执行自动或使用者自订的垂直分切，以及眼高和眼宽的自动量测