周末有些忙，剛回家想偷懶看會ipad，在老婆的注視下，還是自覺地來到了電腦前。謝謝我可愛的老婆（公眾號COO）^_^
今天主要介紹下PAM4，筆者對此也是剛剛接觸，如果有理解錯誤的地方，還請大家指出。
PAM的英文全稱是pulse amplitude modulation, 即脈衝幅度調製。信號編碼在脈衝的幅度上，由於幅度是一個連續變化的物理量，聽起來這個概念似乎是應用在模擬通信上。為了能夠應用到數字通信中，人們人為地規定振幅大於某個值，對應信號1；振幅小於某個值，對應信號0。這樣脈衝的振幅就可以和數字通信中的0、1對應起來。實際應用中，振幅對應脈衝的高低電平。一個脈衝對應一個比特，有兩種可能的狀態，這種編碼形式就是PAM2， 如下圖所示。常用的NRZ(non return to zero)碼和RZ(return to zero)碼就是PAM2的兩種形式。兩者的差別在於信號是否回歸到0電平。
（圖片來自http://www.electronicdesign.com/communications/what-s-difference-between-nrz-and-pam）
隨著對通信速度越來越高的要求，很自然地想到如何用單個脈衝傳遞更多的信息。一個脈衝可以對應更多的狀態，PAM4就應運而生。顧名思義，PAM4中，一個脈衝有四種狀態，也就是有四種可能的電壓值，分別記為00、01、10、11，如下圖所示，
（圖片來自 https://www.neophotonics.com/pam-4-key-solution-next-generation-short-haul-optical-fiber-links/）
通過PAM4方案，單個脈衝就可以傳遞兩比特信息。在相同條件下，信道容量就可以提升一倍，還是非常可觀的。
但是天下沒有免費的午餐，採用PAM4方案就會有一些代價。相比於NRZ方案，PAM4方案有四種電平，它對噪聲更為敏感。因為PAM4更適用於短距離的通信，例如數據中心。另外，如何產生四種電平的脈衝，如何解碼，以及如何進行測試，都會帶來新的問題與挑戰，需要更為複雜的電路設計。這些才是難點所在。
一個很自然的問題，既然PAM4可以提高一倍的信道容量，為什麼不採用更多級的電平 ，例如PAM8、PAM16？電平越多，對信噪比的要求也就越高，實現的困難也就越大。隨著電平的增多，似乎數字通信在慢慢地回歸模擬通信。也許將來隨著技術的提高，這些更複雜的形式（PAM-N）也會被採用。
另外一點，在量子信息中，一個量子比特可以是0和1的疊加態，不同於傳統的光通信，脈衝電壓要麼是0，要麼是1。單量子比特可以寫成如下形式，
alpha和beta滿足歸一化條件即可，它們有無數種組合的可能。但是實際測量時，也還是要在特定的基矢下測量，對應0和1。現在的量子通信，利用量子信號傳遞密鑰，亮點是實現通信的絕對安全，並沒有關注於信道容量的提升。或許將來光通信中會利用到疊加態的性質，大幅度提升通信的容量。
總而言之，PAM4是實現100G以及更高速光通信的可行方案之一， 原理似乎很簡單，難點在於如何物理實現。
文章中如果有任何錯誤和不嚴謹之處，還望不吝指出！歡迎大家留言討論。