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PAM4技术在光通信系统中的应用

[来源:纤亿通]  [日期:2019-01-29]  [点击数:418] 
以太网发展已经进入了 200 G/400 G 新阶段,4 级脉幅调制(PAM4)作为高阶调制技术已经进入多个高速光模块的标准中。无线通信即将进入 5G 时代,在 5G承载网中 PAM4 调制方式将成为重要的技术方向。对 PAM4 技术在光通信应用中相关技术及指标做了详细分析,并给出了 PAM4 系统仿真方案用以指导系统设计及器件规格定义。

随着大数据、云计算和物联网时代的到来,流量需求的急剧增长,光器件带宽提升越来越困难,迫切需要采用复杂调制方式。目前在不归零码(NRZ)调制方式升级方案中,4 级脉幅调制(PAM4)是最被看好的高阶调制方式,它将支持光互联向更高速率迈进。无线通信进入了 5G时代,相比 4G 时代,承载网流量将有23 个数量级的提升,在未来 5G 承载高速光模块中将广泛地采用 PAM4技术。


多年来,NRZ 调制一直是非相干光通信的主要技术,但随着速率的提升,如 200 G/400 GNRZ 调制在色散影响、光电转换带宽和成本上遇到了较大的困难。

25 G 以上的波特率,在中长距传输时,色散的影响开始显著;光电转换带宽在 60 Gbit/s 以上出现了技术瓶颈,或许要采用新的材料及技术才能不断突破这个瓶颈;在成本上,在相同的比特速率的条件下,PAM4 的波特率只有 NRZ 的一半,大大降低了光器件的带宽要求,从而可以降低光器件成本。

PAM4 调制方式采用 4 个不同的信号电平来进行数据传输,每个符号周期可以表示 2 bit 的逻辑信息(0123)。由于 PAM4 信号每个符号周期可以传输 2 bit 的信息,因此要实现同样的信号传输能力,PAM4 信号的符号速率只有 NRZ 信号的一半。实际上 PAM4 在电气和电子工程师协会(IEEE)中早已有相应的电接口标准,但由于技术成熟度和成本的原因,没有形成大规模应用。正在制定的 200 G/400 G 光电接口标准(IEEE 802.3bs)对 PAM4 信号的特性及参数进行了深入研究和定义。另外,相对于光器件成本的增加,电驱动芯片成本增加相对较小甚至可以忽略,提升调制复杂度技术上可行,而且更具经济性,PAM4 调制技术成为必然的发展方向。如表 1 所示,目前 50 G 以太网标准大部分则会考虑采用 PAM4 的调制方式。

目 前 ,多 个 光 模 块 标 准 采 用 了PAM4 作为光调制方式;但是相关技术产品没有进入规模部署,特别是在电信应用场景中对光模块的可靠性及距离要求高。PAM4 光通信系统设计需要全面考虑发送、接收及光路各种因素的影响,结合实际应用推进PAM4 技术产业链成熟度,为 5G 承载网高速、可靠、规模部署做好准备。


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