PAM4,光通信調製的新走向

　　大數據和雲計算的到來，流量的增長，人們迫切需要一個新的更複雜的調製方式。目前PAM4則是目前呼聲最高的調製方式，它將有可能推動整個行業向更高速率的光通信邁進。

　　當大數據、雲計算和物聯網走向規模應用，我們也跟隨技術發展進入到網際網路+ 2.0時代，人工智慧、智能互聯成為新時代的關鍵詞。調研數據顯示到2020年，將有500億臺相互連接的智能設備;平均每人每天通過PC、手機和可穿戴設備將會生成1.5G的數據量。萬物的智能互聯引發數據生態的巨變，越來越多的國家計劃提高寬帶速率以應對其激增的壓力。目前全球超過50家運營商正在提供千兆寬帶業務，在韓國、美國和中國香港等地，運營商已經針對企業和家庭用戶開通了2G乃至10G的業務;在中國，2013年國務院發布了國家寬帶戰略—計劃到2020年使發達城市家庭用戶的接入速率達到1Gb/s;在歐盟和美國，各國政府也在加速提升國家基礎帶寬，或者給予寬帶發展較大的支持。

　　圖1 PON技術演進趨勢示意圖

　　雖然很多候選技術還在研討和比較中，但單波速率超過10G基本達成一致，演進方向主要是單波速率25G。整個PON系統中，針對家庭用戶接入，單波25G PON可以作為主流技術;而對於政企用戶，由於帶寬需求大，可在單波25G的基礎上通過波長疊加實現2×25G或4×25G的更高帶寬。光接入領域，運營商的主要訴求是在帶寬升級的同時能重用既有光纖網絡。ODN（光配線網絡）鏈路涉及基礎設施施工，難度大、成本高，建設成本佔了整個PON網絡部署的大部分。因此運營商在下一代PON網絡升級時，對不改動ODN鏈路有強烈的訴求。當前ODN鏈路一般需要支持最少20km光纖、1∶32分光器，因此單波高速PON的主要挑戰將集中在色散、功率預算以及速率選擇方面。

　　色散難題

　　單波速率達到或超過25G時，NRZ調製格式的色散容限無法滿足傳纖20km要求。有兩種方法可以解決此問題，一是採用零色散的O波段（光纖零色散區域），但此波段已被EPON和GPON佔用，在PON網絡多代共存場景下難以採用;二是採用電色散補償方法，引入高色散容限的調製格式或電均衡算法是較可行的做法。

　　功率預算

　　在PON系統中由於較高功率預算要求，主要以APD為光接收器件。APD的接收靈敏度與信號速率有明顯關係，當信號速率由10Gb/s提升到25Gb/s時，接收機的接收靈敏度會有4dB下降，如沒有補償措施會帶來系統鏈路功率預算下降。目前的25G APD晶片技術和ROSA封裝技術還不成熟，僅有少數供應商宣布擁有該技術，並且價格昂貴，低成本25G PON系統的光收發器件將是業界面臨的問題。

　　速率選擇

　　在單波超過10G速率後，會遇到色散困擾和功率預算不足等問題，且速率越高色散對系統的影響越大，系統功率預算也越緊張。相對於單波10G，單波25G可以採用Duo-binary、PAM4和NRZ+DSP等多種方案解決上述問題，這幾種方案都屬於多階調製。為數據中心實現100G連接的需求已經非常明確，但使100G應用成為主流的方法卻並非十分清楚。早期實現的100G光收發器利用NRZ信號調製方案，該解決方案經證明可行。不過，與所有主流技術過渡的情況一樣，系統設計人員需要明確的行業標準來解決各個競爭方法之間徘徊不定的歧義問題，此標準應該是能讓設計人員有信心達成一致的商定標準。單波長（λ） PAM-4調製方案已成為這一標準。

　　光通信的幾種調製方式

　　NRZ（非歸零碼）

　　光路傳輸時，需要解決數字數據的數位訊號表示以及收發兩端之間的信號同步問題。對於傳輸數位訊號來說，最簡單最常用的方法是用不同的電壓電平來表示兩個二進位數字，即數位訊號由矩形脈衝組成。按數字編碼方式，可以劃分為單極性碼和雙極性碼，單極性碼使用正（或負）的電壓表示數據;雙極性碼是二進位碼，1為反轉，0為保持零電平。根據信號是否歸零，還可以劃分為歸零碼和非歸零碼，歸零碼碼元中間的信號回歸到0電平，例如「1」為正電平，「0」為負電平， 每個數據表示完畢後，都會回歸到零電平狀態，而非歸零碼沒有回歸到零電平的過程，例如「1」為高電平，「0」為低電平。常見的兩種不歸零碼編碼方案如下：

　　1.單極性不歸零碼

　　無電壓（也就是無電流）用來表示「0」，而恆定的正電壓用來表示「1」。每一個碼元時間的中間點是採樣時間，判決門限為半幅度電平（即0.5）。也就是說接收信號的值在0.5與1.0之間，就判為「1」碼，如果在0與0.5之間就判為「0」碼。每秒鐘發送的二進位碼元數稱為「碼速」。

　　2.雙極性不歸零碼

　　「1」碼和「0」碼都有電流，但是「1」碼是正電流，「0」碼是負電流，正和負的幅度相等，故稱為雙極性碼。此時的判決門限為零電平，接收端使用零判決器或正負判決器，接收信號的值若在零電平以上為正，判為「1」碼;若在零電平以下為負，判為「0」碼。

　　以上兩種編碼，都是在一個碼元的全部時間內發出或不發出電流（單極性）以及發出正電流或負電流（雙極性）。每一位編碼佔用了全部碼元的寬度，故這兩種編碼都屬於全寬碼，也稱作不歸零碼NRZ （Non Return Zero）。

　　圖 從上到下為1. 單極性不歸零碼 2. 雙極性不歸零碼 3.單極性歸零碼

　　圖 NRZ發送端

　　Doubinary（雙二進位）

　　Duobinary按照一定的規則將原來的二進位中邏輯信號「1」和「0」轉換為邏輯信號「+1」、「-1」和「0」，使信號的頻譜帶寬減為原來的一半。採用Duobinary調製，可以減少信號佔有的帶寬，改進頻率的利用率，增大光信號在光纖中的傳輸距離。調製解調過程分為預編碼、編碼和解碼。由於採用預編碼，所以在接收端只需一個模2運算器進行解碼。在調製過程中會產生「0」、「+1」、「-1」三種調製信號，「+1」、「-1」對應同一種邏輯碼。

　　目前大多數的光通信系統使用NRZ調製。NRZ比較適用於長距離的傳輸線路，因為單模光纖的色散可以通過另外增加一條負色散的光纖來補償。但是如果不增加這條補償單模光纖，則需要考慮其他調製方式，Duobinary是業界使用的第二種調製方式，因為其對於色散並不敏感且實現起來沒有增加多少複雜性（想比PAM4）。Duobinary使用小於R/2Hz的帶寬來傳輸R bps波特率。根據奈奎斯特定理，如果傳輸沒有碼間幹擾（ISI）的Rbps波特率的數據，最小帶寬需求為R/2 Hz，這就意味著duobinary調製方式要利用到碼間幹擾。這種碼間幹擾是通過一種故意計算的方式進行添加，所以能在接收時進行去除。

　　圖 Duobinary編碼器

　　在有色散的情況下duobinary的接收誤碼率大大小於NRZ方式，實驗結果表明Duobinary能夠提升NRZ的傳輸距離且不增加補償光纖。Duobinary的編碼原理的核心是使用傳輸信道的特性，從而添加可控制的碼間幹擾。在應用於光通信系統之前，Duobinary已經在其他系統（如磁碟系統）中使用過很長時間。

　　PAM4

　　如前所述，流量的增長已經使得業界對更複雜的調製方式日益重視，PAM4則是目前呼聲最高的調製方式。53G的PAM4調製方式可以在單模光纖中達到100G的速率。

　　PAM4調製方式採用4個不同的信號電平來進行信號傳輸，每個符號周期可以表示2個bit的邏輯信息（0、1、2、3）。由於PAM4信號每個符號周期可以傳輸2bit的信息，因此要實現同樣的信號傳輸能力，PAM4信號的符號速率只需要達到NRZ信號的一半即可，因此傳輸通道對其造成的損耗大大減小。實際上PAM4在IEEE協會於2014年頒布的針對100G背板的802.3bj標準裡，就同時定義了兩種信號傳輸方式：4組25.78G波特率的NRZ信號，或者4組13.6G波特率的PAM4信號。只不過後來隨著晶片技術以及PCB板材和連接器技術的發展，25G波特率的NRZ技術很快實現商用應用;而PAM4由於技術成熟度和成本的原因，並沒有在100G乙太網的技術中被真正應用。 在新一代的200G/400G接口標準的制定過程中，普遍的訴求是每對差分線上的數據速率要提高到50Gbps以上。如果仍然採用NRZ技術，由於每個符號周期只有不到20ps，對於收發晶片以及傳輸鏈路的時間裕量要求更加苛刻，所以PAM4技術的採用幾乎成為了必然趨勢 。

　　圖 PAM4時域波形

　　

　　圖 理想PAM4傳輸眼圖

　

　　圖 PAM4發送端

　　圖 PAM4接收端

　　光鏈路PHY的組成

　　實現100G、400G的光通信系統，最核心的器件莫過於光路PHY。當前已有一些25Gx4和50Gx2的復用光路PHY在使用中。但是對於成本、功耗和線路管理而言，單波長100G的光路PHY無疑是最佳選擇。以下分別是單波長100G光路PHY與四波長復用的400G光路PHY的示意圖。

　　圖 100G單波長光路PHY

　　圖 400G四波長復用光路PHY

　　15　　如前所述，PAM4已經是單波長光路PHY最具優勢的調製方式。NRZ在100G的速率中因為色散將在傳輸距離上劣於PAM4將不會得到市場的大規模採用。而在光路PHY中由於PAM4所需功率大大增加，功率FET的性能至關重要。MACOM的FinFET相對於競爭對手的平面工藝的FET在效率上有質的飛躍。FinFET因為採用了多柵極的製造工藝而使的漏電流大大減小，非常適合應用於100G單波長的光路PHY中。下圖為FinFET的平面結構：

　　圖 FinFET平面圖

　　如圖所示，因為柵極採用了新的製造工藝，相對於傳統平面工藝的FET，在遠離源極與漏極的地方，漏電流得到了更有效地控制。這一點是FinFET效率提升的關鍵所在。以下是FinFET的立體結構，更清晰表明了其工藝的特點：

　　圖 FinFET立體圖

　　業界首個100G單波長光鏈路接口產品——MATP-10025

　　MACOM已經在近日2017中國光博會上展示業界首個100G單波長PAM-4技術的PHY模塊MATP-10025。該PHY模塊融合了MACOM的16nm FinFET 100Gb/s PAM4 DSP、和TIA。

　　圖 MATP-10025光鏈路模塊

　　總結與展望

　　PAM-4由AppliedMicro和Cisco等企業倡導，並被IEEE採用，經證明是迄今為止最具成本效益和最有效的數據中心100G和400G推動因素。對於100G收發器，單波長PAM-4技術將雷射器數量減少為一個，並消除了對光復用的需求。對於400G實施方案僅需四個光學組件。MACOM通過對AppliedMicro的併購及與其他合作夥伴的合作，實現了兩種互補產品組合的融合，因而能提供成熟的解決方案，包括專為每個λ模塊實現100G通信而設計PAM-4 DSP、線性驅動器和線性TIA。MACOM擁有的光學網絡技術方面的核心優勢可以幫助加快適合數據中心應用的100G收發器的大量部署，並且對於業界明確實現400G應用的方法具有重要意義。

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