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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。

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。


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