4. 数据编码基础：NRZ编码与PAM4编码、眼图与误码率、编码对CDR的影响

各位同学，咱们今天聊聊数据编码。这玩意儿看着基础，但你要是搞不懂它，后面CDR设计肯定要栽跟头。我当年刚入行时，就吃过这个亏——以为编码就是简单的0和1，结果调试时眼图一塌糊涂，找了两天bug才发现是编码方式选错了。

4.1 NRZ编码：最朴素的二进制

NRZ，全称Non-Return-to-Zero，不归零编码。说白了就是：高电平代表1，低电平代表0。简单粗暴，直接了当。

但这里有个坑——NRZ没有时钟信息。你想想看，如果连续发一串1，电平就一直高着，接收端怎么知道发了几个1？这就是NRZ的“直流分量”问题。

NRZ的优点是简单，带宽利用率高。每个符号携带1比特信息，波特率等于比特率。缺点嘛，就是抗干扰能力弱，而且没有内嵌时钟。

4.2 PAM4编码：四电平的艺术

PAM4，Pulse Amplitude Modulation 4-level，脉冲幅度调制4电平。它用4个不同的电压电平来表示2比特信息：00、01、10、11。

为什么要用PAM4？因为带宽不够用了。在56Gbps、112Gbps这些高速率下，NRZ的带宽需求太高，通道根本扛不住。PAM4用同样的波特率，数据率翻倍。

参数	NRZ	PAM4
每符号比特数	1	2
信噪比需求	低	高（约高9.5dB）
眼图	1个眼	3个眼
复杂度	低	高

但PAM4也有它的麻烦。电平间距只有NRZ的三分之一，对噪声和失真更敏感。我调试过一个PAM4的接收机，光是均衡器就调了两周，因为每个电平的ISI都不一样。

4.3 眼图与误码率：信号质量的照妖镜

眼图，就是把接收到的信号波形叠加在一起，形成像眼睛一样的图案。它反映了信号的质量——眼开得越大，信号越好。

NRZ的眼图只有一个眼，PAM4有三个眼。每个眼的高度、宽度、抖动，都直接决定了误码率。

误码率，BER，Bit Error Rate，就是出错的比特数占总比特数的比例。光模块的典型要求是BER < 1e-12，也就是一万亿个比特里最多错一个。

眼图和BER的关系很直接：眼图越差，BER越高。但要注意，眼图好不一定BER就低——因为BER还受编码方式、均衡算法等因素影响。

我在项目中遇到过一种情况：眼图看着还行，但BER就是下不去。后来发现是PAM4的中间眼受非线性影响，实际Q值比计算值低很多。所以，别光看眼图，要结合BER测试一起分析。

4.4 编码对CDR的影响

CDR，Clock and Data Recovery，时钟数据恢复。它的核心任务是从数据流中提取时钟，然后用这个时钟去采样数据。

编码方式直接影响CDR的难度。NRZ没有内嵌时钟，CDR必须靠数据跳变来恢复时钟。如果数据长时间不跳变（比如连续发0或1），CDR就会失锁。

PAM4的CDR更复杂。它需要恢复出4个电平的判决阈值，而且每个电平的抖动特性不同。我调试PAM4的CDR时，发现中间眼的抖动比上下眼大很多，需要单独优化。

为了帮助CDR工作，实际系统中会使用一些编码技巧：

• 8B/10B编码： 保证数据流中有足够的跳变，避免长连0或长连1。代价是25%的带宽浪费。
• 64B/66B编码： 效率更高，只有3%的带宽浪费，但实现复杂。
• 扰码： 对数据进行随机化处理，减少长连相同符号的概率。

下面这张图展示了NRZ和PAM4的编码结构对比，以及它们对CDR的影响路径：

嗯，这里要注意一点：编码对CDR的影响不是孤立的。它和通道特性、均衡算法、时钟抖动都有关系。我建议你在设计CDR时，先把编码方式定下来，然后根据编码特点去优化其他模块。

好了，这一节就到这里。编码是基础，但基础不牢，地动山摇。下一节咱们聊聊更具体的CDR架构，到时候你会看到编码的影响无处不在。

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