新一代信号传输：PAM4技术（图）

2021-03-04 19:55

光通讯纵横

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随着社会对数据的需求不断增长，基于NRZ类型编码的旧调制方案越来越难以跟上节奏，常见的长途光纤的一端到另一端或者芯片上信息的传递，最受青睐的调制方案是PAM4技术。

PAM4（4 Pulse Amplitude Modulation）是新一代信号传输技术，PAM信号是继NRZ（NonReturn－to－Zero）后的热门信号传输技术，也是多阶调制技术的代表，当前已被广泛应用在高速信号互连领域。

其采用4个不同的信号电平来进行信号传输，每个符号周期可以表示2个bit的逻辑信息（0、1、2、3），相较于传统信号传输方式，每个信号符号周期可以传输更多bit的逻辑信息。

OFweek手绘图

如上图，之前的NRZ类型的编码的数据传输的主要调制方案是采用二进制模式，比如0011010，并将其编码为一系列固定电压电平，较低电压为零，较高电压为1（参见图中的数据流M）1的）。我们假设给定比特率为28Gb／s。

途中PAM4加倍串行数据传输中的位数通过增加脉冲幅度调制的电平数来实现，但是以噪声敏感性为代价。

PAM4信号作为下一代数据中心中高速信号互联的热门信号传输技术，被广泛应用于200G／400G接口的电信号或光信号传输。而50GE则是50Gbps，即6．25GB／s。

比特周期T和幅度A该信号所需的带宽与比特周期（1／T）有关。比特率越快，比特周期越短，带宽越高。

PAM4信号在图1中看起来像迹线M＋L／2。

最低级别为00，然后分别为01，10和11。

PAM4表示脉冲幅度调制，“4”表示四级脉冲调制PAM4信号的眼图是不寻常的，有三个眼图开口和四个垂直堆叠的电平，如图所示。比特周期（或符号周期）是T。

但是，这三只眼睛中的每一只眼睛的开口是A／3。对于带宽要求，我们回滚到1／T。

因此，该信号移动56Gb／s，使用与移动28Gb／s的ML信号相同的带宽量。但是随着与A／3相关的SNR，我们发现我们的M＋L／2信号是三倍m。

可以做些什么来加倍比特率？一种方法是序列化两个比特流。我们创建了一个56－Gb／s通道，而不是两个28－Gb／s通道。结果，在我们以28Gb／s传输一位的同一时段，我们现在有两位以56Gb／s传输。这看起来像图1中的比特流ML。

信号ML的眼图显示振幅仍然与信号M和L的振幅相同，但现在是时期T／2。如果我们颠倒这个数字，我们得到带宽，2／T．我们保留了与A相关的SNR要求，但信号所需的带宽增加了一倍。因此，它分别是SNR和带宽的好消息和坏消息。

从4G到5G，流量增长非常迅猛，如何缩小流量和收入不平衡是运营商面临的一大痛点。最有效降低剪刀差的措施是降低成本。在移动承载网设备的成本构成中，光模块占比越来越大。如果可以有效降低光模块的成本，无疑会对降低整网设备成本起到至关重要的作用。性能诉求与前几代移动网络相比，5G网络的能力将有飞跃发展。

我们需要一种方法来将通道中的比特率加倍，而不会使所需带宽加倍，这就是PAM4进入图像的地方。PAM4取L（最低有效位）信号，将其除以一半，并将其加到M（最高有效位）信号。结果是四个信号电平而不是两个，每个信号电平对应一个两位符号。

例如，下行峰值数据速率可达20Gbps，而上行峰值数据速率可能超过10Gbps。在基础设施方面，运营商应该进行端到端的网络架构改造，构建从接入网、汇聚网到核心网的弹性架构，增强其基础设施的带宽扩展灵活性。基于单通道50G PAM4技术的400GE／200GE／50GE可以很好适配5G对网络成本以及性能的诉求，构筑从接入、汇聚到核心网的最优解决方案。

光电子技术是半导体技术一个分支。为了更好的提升发光效率和性能，业界普遍采用III－V族元素化合物进行光芯片设计，与仅需要保证电气性能的CMOS工艺用纯硅有较大差异。

当前光技术发展已成为接口发展技术瓶颈。CMOS工艺经过几十年发展已经非常成熟，由于有海量应用以及N次迭代后优化的工艺。

相比之下，III－V族发展速度已显著落后，受限产业规模，在工艺成熟度和标准化方面存在较大差距。当前，光技术发展速度已不能满足经典的摩尔定律要求，即每18个月性能翻倍。

通信领域的光电子技术发展速度，当前需要24～36个月才能翻倍。为了使光电子技术发展更快，出现了硅光技术等新的工艺技术，以及高阶调制等算法技术等手段加速。PAM4属于高阶调制技术的一种，可认为是利用电领域技术加速光技术发展的一个有效方法。