初识PAM4

今天主要介绍下PAM4，笔者对此也是刚刚接触，如果有理解错误的地方，还请大家指出。

PAM的英文全称是pulse amplitude modulation, 即脉冲幅度调制。信号编码在脉冲的幅度上，由于幅度是一个连续变化的物理量，听起来这个概念似乎是应用在模拟通信上。为了能够应用到数字通信中，人们人为地规定振幅大于某个值，对应信号1；振幅小于某个值，对应信号0。这样脉冲的振幅就可以和数字通信中的0、1对应起来。实际应用中，振幅对应脉冲的高低电平。一个脉冲对应一个比特，有两种可能的状态，这种编码形式就是PAM2， 如下图所示。常用的NRZ(non return to zero)码和RZ(return to zero)码就是PAM2的两种形式。两者的差别在于信号是否回归到0电平。

（图片来自http://www.electronicdesign.com/communications/what-s-difference-between-nrz-and-pam）

随着对通信速度越来越高的要求，很自然地想到如何用单个脉冲传递更多的信息。一个脉冲可以对应更多的状态，PAM4就应运而生。顾名思义，PAM4中，一个脉冲有四种状态，也就是有四种可能的电压值，分别记为00、01、10、11，如下图所示，

（图片来自 https://www.neophotonics.com/pam-4-key-solution-next-generation-short-haul-optical-fiber-links/）

通过PAM4方案，单个脉冲就可以传递两比特信息。在相同条件下，信道容量就可以提升一倍，还是非常可观的。

但是天下没有免费的午餐，采用PAM4方案就会有一些代价。相比于NRZ方案，PAM4方案有四种电平，它对噪声更为敏感。因为PAM4更适用于短距离的通信，例如数据中心。另外，如何产生四种电平的脉冲，如何解码，以及如何进行测试，都会带来新的问题与挑战，需要更为复杂的电路设计。这些才是难点所在。

一个很自然的问题，既然PAM4可以提高一倍的信道容量，为什么不采用更多级的电平 ，例如PAM8、PAM16？电平越多，对信噪比的要求也就越高，实现的困难也就越大。随着电平的增多，似乎数字通信在慢慢地回归模拟通信。也许将来随着技术的提高，这些更复杂的形式（PAM-N）也会被采用。

另外一点，在量子信息中，一个量子比特可以是0和1的叠加态，不同于传统的光通信，脉冲电压要么是0，要么是1。单量子比特可以写成如下形式，

alpha和beta满足归一化条件即可，它们有无数种组合的可能。但是实际测量时，也还是要在特定的基矢下测量，对应0和1。现在的量子通信，利用量子信号传递密钥，亮点是实现通信的绝对安全，并没有关注于信道容量的提升。或许将来光通信中会利用到叠加态的性质，大幅度提升通信的容量。

总而言之，PAM4是实现100G以及更高速光通信的可行方案之一， 原理似乎很简单，难点在于如何物理实现。

文章中如果有任何错误和不严谨之处，还望不吝指出！欢迎大家留言讨论。