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PAM4編碼調(diào)制技術(shù)為高速而生

本文作者：徐俊毅點擊： 2021-07-29 20:40

前言：

全球各地正加速進(jìn)入數(shù)位化轉(zhuǎn)型期，5G移動通信提升了大容量視頻和數(shù)據(jù)文件的發(fā)送和接收的速度,但面對洶涌的數(shù)據(jù)浪潮，數(shù)字世界的通路仍顯擁擠，2020年爆發(fā)的COVID-19疫情讓基礎(chǔ)設(shè)施能力的弱點進(jìn)一步暴露出來。為支持更大數(shù)據(jù)量、更快的傳輸，作為包括5G移動網(wǎng)絡(luò)、有線網(wǎng)絡(luò)以及云端數(shù)據(jù)交互的關(guān)鍵基礎(chǔ)設(shè)施--數(shù)據(jù)中心，也在盡全力提升數(shù)據(jù)傳輸能力，100 GbE * 3升級到400 GbE以及800 GbE / 1.6 TbE傳輸已經(jīng)為時不遠(yuǎn)。

PAM4被認(rèn)為是下一代高速信號傳輸?shù)闹髁幋a調(diào)制技術(shù)。

PAM4 PAM(Pulse Amplitude Modulation 脈沖幅度調(diào)制)技術(shù)中的一種，也有人成為第四級PAM技術(shù)，是NRZ（Non-Return-to-Zero）信號傳輸技術(shù)的繼任者。而NRZ則是自上世紀(jì)80年代以來，以太網(wǎng)等其它傳輸技術(shù)使用了幾十年的信號調(diào)制技術(shù)。

PAM4與上一代NRZ信號波形和眼圖對比圖片來源:Huawei.com

PAM4信號在數(shù)據(jù)傳輸時有4個電平狀態(tài)，分別對應(yīng)邏輯bit，00，01，10，11，即一個電平可以傳輸2bit數(shù)據(jù)。而NRZ信號1個電平狀態(tài)只對應(yīng)1個邏輯bit，正電壓表示邏輯1，等效負(fù)電壓表示邏輯0。

在NRZ信號傳輸中，波特率（baud/s）與比特率(bit/s)是1：1的關(guān)系，而PAM4由于每個baud攜帶2個bit數(shù)據(jù)，因此二者關(guān)系是1：2的比例。

同樣條件下PAM4 可有效地將鏈路頻寬的資料速率加倍，且對現(xiàn)有網(wǎng)路基礎(chǔ)設(shè)施的變動較小，可顯著降低提升傳輸容量的成本。因此IEEE 以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)組802.3已確定在400GE/200GE/50GE高速接口中的PHY（物理層）采用50Gbps/lane PAM4編碼，在盡可能節(jié)約成本的條件下，提升移動通信和光通信技術(shù)的傳輸能力。

移動通信運(yùn)營商方面，5G發(fā)展緩慢的一個重要原因就是單位bit的傳輸成本在逐年上升。

中國移動通信運(yùn)營商的流量與收入情況對比資料來源:huawei.com

海量移動用戶的短時視頻、即時通信、游戲等應(yīng)用成就了移動運(yùn)營商的流量業(yè)務(wù)，以中國移動為例，在中國移動的收入結(jié)構(gòu)中，流量收入已經(jīng)成為其最主要的收入來源，遠(yuǎn)超其通話、短信息收入。然而從4G到5G這一過程中，移動網(wǎng)絡(luò)承載的網(wǎng)路流量將會有2~3個數(shù)量級，也就是100被甚至1000倍的巨幅增長。用戶流量的增長遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了，銷售流量的收入增長，二者差距正越來越大。從上圖中某運(yùn)營商的數(shù)據(jù)可以看出，網(wǎng)絡(luò)流量增長了10倍，但實際收入只增長了2倍，這讓運(yùn)營商在投入5G基礎(chǔ)設(shè)施方面變得猶豫。PAM4技術(shù)這一應(yīng)用領(lǐng)域正發(fā)揮重要作用，基于單通道50G PAM4技術(shù)的400GE/200GE/ 50GE可以很好適配5G對網(wǎng)絡(luò)成本以及性能的訴求，構(gòu)筑從接入、匯聚到核心網(wǎng)的完整解決方案。如能大幅度降低移動運(yùn)營商的數(shù)據(jù)傳輸成本，那么5G網(wǎng)絡(luò)距離真正意義上的普及就不遠(yuǎn)了。

在中長距離的數(shù)據(jù)傳輸中，NRZ 調(diào)制一直是非相干光通信的主要技術(shù)。但是隨著傳輸速率的提升，到了200G/400G這一速率，NRZ調(diào)制在色散影響、光電轉(zhuǎn)換帶寬和成本方面都遇到了問題。25 G 以上的波特率，在中長距傳輸時，色散的影響開始顯著；光電轉(zhuǎn)換帶寬在60 Gbit/s 以上出現(xiàn)了技術(shù)瓶頸，要采用新的材料及技術(shù)才能不斷突破這個瓶頸。在通信領(lǐng)域，光電子技術(shù)需要24~36個月才能將傳輸能力翻倍，這不僅落后于摩爾定律18個月翻倍的速度，顯然無法跟上海量增長的數(shù)量流量。借助成熟的cmos光技術(shù)以及PAM4這樣的高級調(diào)制技術(shù)，在相同的比特速率的條件下，PAM4 的波特率只有NRZ 的一半，大大降低了光器件的帶寬要求，降低光器件成本，可有效提升傳輸能力。

50GBASE-LR PMD架構(gòu)

數(shù)據(jù)中心的光纖接口

PAM4也有明顯的短板，就是設(shè)計更容易受到噪聲的影響，因四個信號電平被打包成兩個幅度擺幅。結(jié)果就是信噪比（SNR）較低，并且在測試中必須要分析收發(fā)信機(jī)設(shè)計中的噪聲。PAM4使用前向糾錯（FEC）方法來解決這個問題。FEC 是一種高級編碼技術(shù)，它除了通過鏈路發(fā)送凈荷之外，還發(fā)送必要的信息，以校正誤碼。FEC 帶來新的測試挑戰(zhàn)，必須在 PAM4 信號的物理層測試中加以考慮，設(shè)計人員。

參考資料：

50G-PAM4技術(shù)白皮書來源：huawei.com

PAM4技術(shù)在光通信應(yīng)用中的系統(tǒng)分析來源：zte technology journal .2018.04

400GE數(shù)據(jù)中心收發(fā)信機(jī)測試：克服三大挑戰(zhàn) 來源:keysight.com

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