光通信调制方式的下一站: PAM4

前言

当大数据、云计算和物联网走向规模应用，我们也跟随技术发展进入到互联网+ 2.0时代，人工智能、智能互联成为新时代的关键词。调研数据显示到2020年，将有500亿台相互连接的智能设备;平均每人每天通过PC、手机和可穿戴设备将会生成1.5G的数据量。万物的智能互联引发数据生态的巨变，越来越多的国家计划提高宽带速率以应对其激增的压力。目前全球超过50家运营商正在提供千兆宽带业务，在韩国、美国和中国香港等地，运营商已经针对企业和家庭用户开通了2G乃至10G的业务;在中国，2013年国务院发布了国家宽带战略—计划到2020年使发达城市家庭用户的接入速率达到1Gb/s;在欧盟和美国，各国政府也在加速提升国家基础带宽，或者给予宽带发展较大的支持。

图1 PON技术演进趋势示意图

虽然很多候选技术还在研讨和比较中，但单波速率超过10G基本达成一致，演进方向主要是单波速率25G。整个PON系统中，针对家庭用户接入，单波25G PON可以作为主流技术;而对于政企用户，由于带宽需求大，可在单波25G的基础上通过波长叠加实现2×25G或4×25G的更高带宽。光接入领域，运营商的主要诉求是在带宽升级的同时能重用既有光纤网络。ODN(光配线网络)链路涉及基础设施施工，难度大、成本高，建设成本占了整个PON网络部署的大部分。因此运营商在下一代PON网络升级时，对不改动ODN链路有强烈的诉求。当前ODN链路一般需要支持最少20km光纤、1∶32分光器，因此单波高速PON的主要挑战将集中在色散、功率预算以及速率选择方面。

色散难题

单波速率达到或超过25G时，NRZ调制格式的色散容限无法满足传纤20km要求。有两种方法可以解决此问题，一是采用零色散的O波段(光纤零色散区域)，但此波段已被EPON和GPON占用，在PON网络多代共存场景下难以采用;二是采用电色散补偿方法，引入高色散容限的调制格式或电均衡算法是较可行的做法。

功率预算

在PON系统中由于较高功率预算要求，主要以APD为光接收器件。APD的接收灵敏度与信号速率有明显关系，当信号速率由10Gb/s提升到25Gb/s时，接收机的接收灵敏度会有4dB下降，如没有补偿措施会带来系统链路功率预算下降。目前的25G APD芯片技术和ROSA封装技术还不成熟，仅有少数供应商宣布拥有该技术，并且价格昂贵，低成本25G PON系统的光收发器件将是业界面临的问题。

速率选择

在单波超过10G速率后，会遇到色散困扰和功率预算不足等问题，且速率越高色散对系统的影响越大，系统功率预算也越紧张。相对于单波10G，单波25G可以采用Duo-binary、PAM4和NRZ+DSP等多种方案解决上述问题，这几种方案都属于多阶调制。为数据中心实现100G连接的需求已经非常明确，但使100G应用成为主流的方法却并非十分清楚。早期实现的100G光收发器利用NRZ信号调制方案，该解决方案经证明可行。不过，与所有主流技术过渡的情况一样，系统设计人员需要明确的行业标准来解决各个竞争方法之间徘徊不定的歧义问题，此标准应该是能让设计人员有信心达成一致的商定标准。单波长(λ) PAM-4调制方案已成为这一标准。

光通信的几种调制方式

NRZ(非归零码)

光路传输时，需要解决数字数据的数字信号表示以及收发两端之间的信号同步问题。对于传输数字信号来说，最简单最常用的方法是用不同的电压电平来表示两个二进制数字，即数字信号由矩形脉冲组成。按数字编码方式，可以划分为单极性码和双极性码，单极性码使用正(或负)的电压表示数据;双极性码是二进制码，1为反转，0为保持零电平。根据信号是否归零，还可以划分为归零码和非归零码，归零码码元中间的信号回归到0电平，例如"1"为正电平，"0"为负电平， 每个数据表示完毕后，都会回归到零电平状态，而非归零码没有回归到零电平的过程，例如"1"为高电平，"0"为低电平。常见的两种不归零码编码方案如下：

单极性不归零码

无电压(也就是无电流)用来表示"0"，而恒定的正电压用来表示"1"。每一个码元时间的中间点是采样时间，判决门限为半幅度电平(即0.5)。也就是说接收信号的值在0.5与1.0之间，就判为"1"码，如果在0与0.5之间就判为"0"码。每秒钟发送的二进制码元数称为"码速"。

双极性不归零码

"1"码和"0"码都有电流，但是"1"码是正电流，"0"码是负电流，正和负的幅度相等，故称为双极性码。此时的判决门限为零电平，接收端使用零判决器或正负判决器，接收信号的值若在零电平以上为正，判为"1"码;若在零电平以下为负，判为"0"码。

以上两种编码，都是在一个码元的全部时间内发出或不发出电流(单极性)以及发出正电流或负电流(双极性)。每一位编码占用了全部码元的宽度，故这两种编码都属于全宽码，也称作不归零码NRZ (Non Return Zero)。

图 从上到下为1. 单极性不归零码 2. 双极性不归零码 3.单极性归零码

图 理想NRZ传输眼图

图 NRZ发送端

[!--empirenews.page--]

Doubinary(双二进制)

Duobinary按照一定的规则将原来的二进制中逻辑信号“1”和“0”转换为逻辑信号“+1”、“-1”和“0”，使信号的频谱带宽减为原来的一半。采用Duobinary调制，可以减少信号占有的带宽，改进频率的利用率，增大光信号在光纤中的传输距离。调制解调过程分为预编码、编码和解码。由于采用预编码，所以在接收端只需一个模2运算器进行解码。在调制过程中会产生“0”、“+1”、“-1”三种调制信号，“+1”、“-1”对应同一种逻辑码。

目前大多数的光通信系统使用NRZ调制。NRZ比较适用于长距离的传输线路，因为单模光纤的色散可以通过另外增加一条负色散的光纤来补偿。但是如果不增加这条补偿单模光纤，则需要考虑其他调制方式，Duobinary是业界使用的第二种调制方式，因为其对于色散并不敏感且实现起来没有增加多少复杂性(想比PAM4)。Duobinary使用小于R/2Hz的带宽来传输R bps波特率。根据奈奎斯特定理，如果传输没有码间干扰(ISI)的Rbps波特率的数据，最小带宽需求为R/2 Hz，这就意味着duobinary调制方式要利用到码间干扰。这种码间干扰是通过一种故意计算的方式进行添加，所以能在接收时进行去除。

图 Duobinary编码器

在有色散的情况下duobinary的接收误码率大大小于NRZ方式，实验结果表明Duobinary能够提升NRZ的传输距离且不增加补偿光纤。Duobinary的编码原理的核心是使用传输信道的特性，从而添加可控制的码间干扰。在应用于光通信系统之前，Duobinary已经在其他系统(如磁盘系统)中使用过很长时间。

图 完整的Duobinary调制解调系统

图 理想Duobinary传输眼图

图 Duobinary发送端

图 Duobinary接收端

PAM4

如前所述，流量的增长已经使得业界对更复杂的调制方式日益重视，PAM4则是目前呼声最高的调制方式。53G的PAM4调制方式可以在单模光纤中达到100G的速率。

PAM4调制方式采用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)。由于PAM4信号每个符号周期可以传输2bit的信息，因此要实现同样的信号传输能力，PAM4信号的符号速率只需要达到NRZ信号的一半即可，因此传输通道对其造成的损耗大大减小。实际上PAM4在IEEE协会于2014年颁布的针对100G背板的802.3bj标准里，就同时定义了两种信号传输方式：4组25.78G波特率的NRZ信号，或者4组13.6G波特率的PAM4信号。只不过后来随着芯片技术以及PCB板材和连接器技术的发展，25G波特率的NRZ技术很快实现商用应用;而PAM4由于技术成熟度和成本的原因，并没有在100G以太网的技术中被真正应用。 在新一代的200G/400G接口标准的制定过程中，普遍的诉求是每对差分线上的数据速率要提高到50Gbps以上。如果仍然采用NRZ技术，由于每个符号周期只有不到20ps，对于收发芯片以及传输链路的时间裕量要求更加苛刻，所以PAM4技术的采用几乎成为了必然趋势 。

图 PAM4时域波形

图 理想PAM4传输眼图

图 PAM4发送端

图 PAM4接收端

光链路PHY的组成

实现100G、400G的光通信系统，最核心的器件莫过于光路PHY。当前已有一些25Gx4和50Gx2的复用光路PHY在使用中。但是对于成本、功耗和线路管理而言，单波长100G的光路PHY无疑是最佳选择。以下分别是单波长100G光路PHY与四波长复用的400G光路PHY的示意图。

图 100G单波长光路PHY

[!--empirenews.page--]

图 400G四波长复用光路PHY

光路PHY的原理框图由如下部分组成:

图 NRZ调制方式PHY组成

图 PAM4调制方式PHY组成

如前所述，PAM4已经是单波长光路PHY最具优势的调制方式。NRZ在100G的速率中因为色散将在传输距离上劣于PAM4将不会得到市场的大规模采用。而在光路PHY中由于PAM4所需功率大大增加，功率FET的性能至关重要。MACOM的FinFET相对于竞争对手的平面工艺的FET在效率上有质的飞跃。FinFET因为采用了多栅极的制造工艺而使的漏电流大大减小，非常适合应用于100G单波长的光路PHY中。下图为FinFET的平面结构：

图 FinFET平面图

如图所示，因为栅极采用了新的制造工艺，相对于传统平面工艺的FET，在远离源极与漏极的地方，漏电流得到了更有效地控制。这一点是FinFET效率提升的关键所在。以下是FinFET的立体结构,更清晰表明了其工艺的特点：

图 FinFET立体图

业界首个100G单波长光链路接口产品——MATP-10025

MACOM已经在近日2017中国光博会上展示业界首个100G单波长PAM-4技术的PHY模块MATP-10025。该PHY模块融合了MACOM的16nm FinFET 100Gb/s PAM4 DSP、和TIA。

图 MATP-10025光链路模块

总结与展望

PAM-4由AppliedMicro和Cisco等企业倡导，并被IEEE采用，经证明是迄今为止最具成本效益和最有效的数据中心100G和400G推动因素。对于100G收发器，单波长PAM-4技术将激光器数量减少为一个，并消除了对光复用的需求。对于400G实施方案仅需四个光学组件。MACOM通过对AppliedMicro的并购及与其他合作伙伴的合作，实现了两种互补产品组合的融合，因而能提供成熟的解决方案，包括专为每个λ模块实现100G通信而设计PAM-4 DSP、线性驱动器和线性TIA。MACOM拥有的光学网络技术方面的核心优势可以帮助加快适合数据中心应用的100G收发器的大量部署，并且对于业界明确实现400G应用的方法具有重要意义。