PAM4技術(shù)在光通信應(yīng)用中的系統(tǒng)分析

朱梅冬 陸建鑫

摘要：以太網(wǎng)發(fā)展已經(jīng)進(jìn)入了200 G/400 G新階段，4級脈幅調(diào)制（PAM4）作為高階調(diào)制技術(shù)已經(jīng)進(jìn)入多個(gè)高速光模塊的標(biāo)準(zhǔn)中。無線通信即將進(jìn)入5G時(shí)代，在5G承載網(wǎng)中PAM4調(diào)制方式將成為重要的技術(shù)方向。對PAM4技術(shù)在光通信應(yīng)用中相關(guān)技術(shù)及指標(biāo)做了詳細(xì)分析，并給出了PAM4系統(tǒng)仿真方案用以指導(dǎo)系統(tǒng)設(shè)計(jì)及器件規(guī)格定義。

PAM4；線性；誤碼率；帶寬；判決電平

Ethernet has entered into a new stage of 200 G/400 G development. As a high-order modulation technology， 4-level pulse amplitude modulation （PAM4） has been used in the standard of several high-speed optical modules. And PAM4 modulation will become an important technical direction in 5G bearer network. In this paper， the related technologies and specifications of PAM4 technology in the optical communication applications is analyzed in details， and the system simulation scheme of PAM4 is given to guide the system design and device specification definition.

PAM4； linearity； bit error rate （BER）； bandwidth； decision level

隨著大數(shù)據(jù)、云計(jì)算和物聯(lián)網(wǎng)時(shí)代的到來，流量需求的急劇增長，光器件帶寬提升越來越困難，迫切需要采用復(fù)雜調(diào)制方式。目前在不歸零碼（NRZ）調(diào)制方式升級方案中，4級脈幅調(diào)制（PAM4）是最被看好的高階調(diào)制方式，它將支持光互聯(lián)向更高速率邁進(jìn)。無線通信進(jìn)入了5G時(shí)代，相比4G時(shí)代，承載網(wǎng)流量將有2～3個(gè)數(shù)量級的提升，在未來5G承載高速光模塊中將廣泛地采用PAM4技術(shù)。

多年來，NRZ調(diào)制一直是非相干光通信的主要技術(shù)，但隨著速率的提升，如200 G/400 G，NRZ調(diào)制在色散影響、光電轉(zhuǎn)換帶寬和成本上遇到了較大的困難。

25 G以上的波特率，在中長距傳輸時(shí)，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，或許要采用新的材料及技術(shù)才能不斷突破這個(gè)瓶頸；在成本上，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，從而可以降低光器件成本。

PAM4調(diào)制方式采用4個(gè)不同的信號電平來進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，每個(gè)符號周期可以表示2 bit的邏輯信息（0，1，2，3）。由于PAM4信號每個(gè)符號周期可以傳輸2 bit的信息，因此要實(shí)現(xiàn)同樣的信號傳輸能力，PAM4信號的符號速率只有NRZ信號的一半。實(shí)際上PAM4在電氣和電子工程師協(xié)會(huì)（IEEE）中早已有相應(yīng)的電接口標(biāo)準(zhǔn)，但由于技術(shù)成熟度和成本的原因，沒有形成大規(guī)模應(yīng)用。正在制定的200 G/400 G光電接口標(biāo)準(zhǔn)（IEEE 802.3bs）對PAM4信號的特性及參數(shù)進(jìn)行了深入研究和定義。另外，相對于光器件成本的增加，電驅(qū)動(dòng)芯片成本增加相對較小甚至可以忽略，提升調(diào)制復(fù)雜度技術(shù)上可行，而且更具經(jīng)濟(jì)性，PAM4調(diào)制技術(shù)成為必然的發(fā)展方向。如表1所示，目前50 G以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)大部分則會(huì)考慮采用PAM4的調(diào)制方式。

1 發(fā)送技術(shù)

1.1 速率轉(zhuǎn)換

速率轉(zhuǎn)換主要解決電接口與光接口之間的速率匹配問題。對單波而言，一般速率轉(zhuǎn)換有3種方式：1路NRZ轉(zhuǎn)1路PAM4，波特率減半；2路NRZ轉(zhuǎn)1路PAM4，波特率不變；2路PAM4轉(zhuǎn)1路PAM4，波特率提升1倍。

對于2路轉(zhuǎn)1路模式，由于是2個(gè)輸入，如果輸出采用簡單疊加的方式，由于延時(shí)不一樣，會(huì)造成波形變異，時(shí)鐘和數(shù)據(jù)恢復(fù)難度大，判決誤碼率高。解決方案是：先進(jìn)行時(shí)鐘同步，再進(jìn)行不同幅度差相疊加的方法，在電域和光域上進(jìn)行疊加都是可行的。對于1路轉(zhuǎn)1路的信號，沒有同步的問題。

在實(shí)際應(yīng)用中，可能還有4路NRZ轉(zhuǎn)1路PAM4或4路PAM4轉(zhuǎn)1路PAM4的速率變換模式，與2路轉(zhuǎn)1路一樣，需要時(shí)鐘同步。

1.2 發(fā)送機(jī)線性要求

由于多電平調(diào)制，PAM4對器件的線性度有要求。當(dāng)線性度差時(shí)，PAM4輸出眼圖的3個(gè)眼高度不一樣，如圖1所示，上面的眼高小，下面的眼高大，其誤碼率一般取決于最小的眼高。

在IEEE 802.3bs標(biāo)準(zhǔn)中定義了電平間隔錯(cuò)位度（RLM）[1]，來評估線性度指標(biāo)，具體如式（1）。

Lmid=（LD+LA）/2

ES1=（LB?Lmid）/（LA?Lmid）

ES2=（LC?Lmid）/（LD?Lmid）

RLM=min（3×ES1，3×ES2，

2?3×ES1，2?3×ES2） （1）

其中，Lmid為平均電平幅度，ES1為LA，LB電平相對Lmid的偏離程度，ES2為LC，LD電平相對Lmid的偏離程度。

RLM的物理意義是與理想電平相比時(shí)最大偏移度，IEEE 802.3bs中對電接口要求RLM值≥0.92[2]。

電器件比較容易滿足上述要求。但對于光器件，可能有一定的挑戰(zhàn)，特別是在DML高溫場景下，激光器的P-I曲線工作區(qū)線性度可能比較差。這種情況下，通常要求電驅(qū)動(dòng)芯片輸出給光器件的PAM4信號幅度可調(diào)，通過這種方法來降低或消除光器件帶來的非線性影響。具體的調(diào)整幅度因光器件差異來定，目標(biāo)是補(bǔ)償其非線性。

1.3 激光器相對強(qiáng)度噪聲

相對強(qiáng)度噪聲（RIN）在NRZ和PAM4中都是很關(guān)鍵的指標(biāo)，它是激光器（LD）自身特性引起的，疊加在光信號上的噪聲。不同的應(yīng)用場景，該指標(biāo)有所差異。

這里僅從與NRZ對比的方式給出PAM4系統(tǒng)中，說明相對強(qiáng)度噪聲在PAM系統(tǒng)中的重要性。假設(shè)光信號NRZ的光調(diào)制幅度（OMA）與PAM4的OMAOUT（外層光調(diào)制幅度）大小一樣，PAM4由于有4個(gè)電平（如圖2所示），其最小信號約為NRZ的1/3，如果噪聲大小與NRZ一樣的話，PAM4的信噪比要差5 dB左右。因此，PAM4系統(tǒng)應(yīng)用中對相對強(qiáng)度噪聲有更高的要求。

IEEE 802.3標(biāo)準(zhǔn)族中，如100 G/200 G/400 G標(biāo)準(zhǔn)，有RIN取值的相關(guān)定義。在NRZ系統(tǒng)中，如100 G BASE-LR4中RIN最大為-130 dB/Hz，而40 G BASE-FR中RIN最大可以達(dá)到-132 dB/Hz。雖然200 G/400 G的標(biāo)準(zhǔn)還未完全定稿，但是從草案中可以查到PAM4系統(tǒng)的相關(guān)定義，例如：400 BASE-LR8中的RIN最大為

-140 dB/Hz，400 G-PSM4中RIN最大為-142 dB/Hz。

1.4 信號頻域補(bǔ)償和整形處理

由于信道是具有頻率選擇性衰落，特別是高頻成分，那么則會(huì)引起碼間干擾。為了抗信道衰落，可以在發(fā)送側(cè)，采用信號的頻域補(bǔ)償技術(shù)，主要有預(yù)加重或去加重技術(shù)，目的是為了增強(qiáng)發(fā)送信號的高頻分量。這種技術(shù)在NRZ系統(tǒng)中比較常見，在PAM4中也可以應(yīng)用。

整形處理技術(shù)具有代表性的是奈奎斯特濾波[3]，其主要原理是通過奈奎斯特脈沖整形來降低發(fā)送信號頻譜，而不會(huì)惡化碼間干擾。

2 接收技術(shù)

2.1 接收機(jī)的線性要求

接收側(cè)的模擬器件主要有光器件光電二極管（PD/APD）和跨阻放大器（TIA）芯片。一般情況下，PD/APD具有較大的線性工作區(qū)。與NRZ的TIA不同，PAM4系統(tǒng)中要求TIA工作在線性區(qū)。

信號飽和是信號超出光電器件正常工作范圍，造成信號失真。在NRZ系統(tǒng)中，能承受一定程度的飽和。但在PAM4系統(tǒng)中，飽和時(shí)從眼圖上看會(huì)直接擠壓3個(gè)眼的最上面的一個(gè)；嚴(yán)重時(shí)，中間的眼也會(huì)嚴(yán)重變形，對信號質(zhì)量影響很大，誤碼率也隨之急劇惡化。因此，PAM4系統(tǒng)對飽和狀態(tài)容忍度比較差。

飽和解決方式可以通過選擇合適的接收光功率工作區(qū)域，適當(dāng)降低TIA增益或后級放大器（如自動(dòng)增益控制）的增益來避免飽和。

2.2 多電平判決

電平判決是系統(tǒng)中一個(gè)重要技術(shù)。判決電平幅度的選取直接影響誤碼率，相比NRZ只需1個(gè)判決電平，PAM4接收需要3個(gè)判決電平，實(shí)現(xiàn)更復(fù)雜。以下2種情況，判決幅度要實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)調(diào)整：輸入的模擬信號幅度變強(qiáng)或變?nèi)酰惠斎胄盘柧€性度變化，即眼圖上3個(gè)眼高發(fā)生變化。

對于時(shí)域采樣位置，在眼圖不對稱情況下其中心位置不是最佳采樣點(diǎn)。造成眼圖不對稱的原因可能是系統(tǒng)中的濾波器，也有可能是LD的上升時(shí)間與下降時(shí)間不一致，造成3個(gè)眼在垂直方向上有偏移。考慮到眼圖的不對稱性，希望接收機(jī)采樣位置可進(jìn)行自適應(yīng)調(diào)整。

2.3 均衡器

均衡器能減少碼間干擾，起到補(bǔ)償作用的濾波器，如：前向反饋均衡（FFE）、判決反饋均衡（DFE）、連續(xù)時(shí)間線性均衡（CTLE）、最大似然序列估計(jì)（MSLE）等，這些技術(shù)都可以應(yīng)用于PAM4系統(tǒng)中。其中，MLSE用最大似然準(zhǔn)則從接收信號中估計(jì)出正確的序列，性能最好，但算法復(fù)雜度較高，延時(shí)較長。

3 系統(tǒng)考慮

3.1 光功率預(yù)算

功率預(yù)算主要考慮出光功率、光調(diào)制幅度（OMA）、光鏈路損耗、發(fā)射機(jī)和色散眼圖閉合度（TDECQ）、多徑干擾（MPI）和接收靈敏度等，PAM4在功率預(yù)算計(jì)算上與NRZ類似。對于同樣的接收信號幅度，由于PAM4發(fā)送4個(gè)電平，最小信號眼圖眼高比NRZ的小5 dB左右。因此，相比于NRZ方式，PAM4存在著5 dB左右的調(diào)制代價(jià)。

3.2 編碼

與NRZ 2個(gè)電平不同的是：PAM4有4個(gè)電平，分別用0，1，2，3表示。在IEEE802.3bs標(biāo)準(zhǔn)中，有格雷編碼和預(yù)編碼，2種碼不是為了糾錯(cuò)，而是為了降低出錯(cuò)率。其在信道的編解碼的流程為：發(fā)送側(cè)按信號流依次為格雷編碼、預(yù)編碼[4，5]、PAM4信號輸出，接收側(cè)依次為PAM4信號輸入、解預(yù)編碼、格雷解碼。

預(yù)編碼及其解碼如下（如圖3所示）：其中T為延時(shí)一個(gè)符號周期，MOD4是除4，取余數(shù)。它的好處是在突發(fā)誤碼和隨機(jī)誤碼時(shí)，有1.45 dB的編碼增益。

3.3 抖動(dòng)

對NRZ信號來說，存在0→1和1→0 2種信號變換模式，只有1個(gè)交叉點(diǎn)，如圖4 a）所示。對于PAM4信號來說，一共有12種信號變換模式，交叉點(diǎn)多且離散，如圖4 b）所示。在接收端提取時(shí)鐘時(shí)，時(shí)鐘數(shù)據(jù)恢復(fù)（CDR）電路設(shè)計(jì)難度相對較大。另外，信號帶寬直接影響了交叉點(diǎn)的離散程度，PAM4交叉點(diǎn)離散程度影響信號抖動(dòng)，對CDR的設(shè)計(jì)提出了更高的要求。

3.4 測試碼型

在測試眼圖、消光比、光功率、誤碼率等指標(biāo)時(shí)，需要合適的測試碼序列。NRZ的序列由二進(jìn)制碼組成，即0/1；PAM4的序列是四進(jìn)制碼組成，即0/1/2/3。這樣一來，原來用于NRZ系統(tǒng)測試的長度為2n-1的偽隨機(jī)序列碼（PRBSn），在PAM4中不適合直接使用。同時(shí)，為保證0/1/2/3電平都同等被遍歷到，還要取其反碼，即3-x，最終改造后的碼型稱為PRBSnQ，“Q”的含義為四進(jìn)制。

IEEE802.3bs標(biāo)準(zhǔn)中定義PRBS13Q、PRBS31Q和四進(jìn)制短強(qiáng)度隨機(jī)碼（SSPRQ）碼型[6]。其中，PRBS31Q碼太長，測試時(shí)間長；PRBS13Q碼短隨機(jī)性不夠強(qiáng)；SSPRQ碼型碼長適中，容易鎖定，隨機(jī)性強(qiáng)度也適中，實(shí)際測試中使用最多。

3.5 發(fā)射機(jī)和色散眼圖閉合度

發(fā)射機(jī)和色散眼圖閉合度（TDECQ）[7]是測量光發(fā)射機(jī)的垂直眼圖閉合度，取代傳統(tǒng)的發(fā)射機(jī)和色散代價(jià)（TDP），用于PAM4系統(tǒng)光信號質(zhì)量的評估測量，詳細(xì)的算法參考文獻(xiàn)[3]。

需要說明的是：測量時(shí)需考慮最惡劣的色散信道，包含正色散和負(fù)色散。其算法的思想是在當(dāng)前的信噪比下模擬加入高斯噪聲，評估能加多大的噪聲，使符號誤碼率（SER）接近4.8×10-4。

4系統(tǒng)仿真設(shè)計(jì)

光通信系統(tǒng)的仿真性能評估以誤碼率（BER）為依據(jù)，影響B(tài)ER的因素主要：信號質(zhì)量、噪聲、干擾。

影響信號質(zhì)量的因素主要包括帶寬、線性度、抖動(dòng)、消光比和OMA等。帶寬小，容易產(chǎn)生碼間干擾，可以通過頻域補(bǔ)償?shù)姆椒ň徑?，如：預(yù)加重和均衡技術(shù)；考慮信號線性度時(shí)，眼圖中最小的一只眼決定了BER的性能；信號抖動(dòng)會(huì)造成判決位置的偏差，從而影響B(tài)ER性能；消光比會(huì)影響功率預(yù)算，進(jìn)而影響靈敏度；接收光信號的OMA，即接收信號的調(diào)制強(qiáng)度，當(dāng)噪聲不變時(shí)，強(qiáng)度越大，BER越小。

噪聲主要包括光域噪聲和電域噪聲。在光域方面，前文已有說明；在電域方面，PD/APD的暗電流和噪聲電流以及TIA的噪聲基本上決定了接收機(jī)的靈敏度。

干擾主要包括多徑干擾、色散、信道選擇性衰落。多徑干擾主要是由多個(gè)連接器來回反射后，疊加到光信號上，相當(dāng)于噪聲；色散會(huì)使脈沖展寬，帶寬變??；信道選擇性衰落主要是較高頻率選擇衰落，類似于低通濾波器。

收發(fā)系統(tǒng)的仿真框圖如圖5所示。與NRZ仿真系統(tǒng)相比，其最大的不同點(diǎn)主要體現(xiàn)在發(fā)送側(cè)的PAM4信號發(fā)生器和接收側(cè)的性能分析模塊（支持PAM4眼圖分析）上，其次是對驅(qū)動(dòng)器和TIA有線性要求。

仿真可信性主要取決于鏈路器件仿真模型的準(zhǔn)確度，在實(shí)際仿真中需要結(jié)合測試來提升器件建模參數(shù)準(zhǔn)確性。由于PAM4技術(shù)實(shí)際上沒有大規(guī)模應(yīng)用，應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)缺乏，仿真可以指導(dǎo)系統(tǒng)設(shè)計(jì)及相關(guān)器件規(guī)格定義。以帶寬仿真為例，發(fā)送和接收的信號的濾波器都選用二階貝塞爾濾波器。帶寬為1倍波特率（BAUD）時(shí)的眼圖如圖6 a）所示，眼圖中的3個(gè)眼的眼皮很薄，BER很小。

圖6 b）為發(fā)送的濾波器帶寬為0.4倍BAUD時(shí)的眼圖，眼圖中眼皮很厚，碼間干擾較大，BER性能差。

圖7的曲線圖是在一定條件下的帶寬與誤碼關(guān)系的曲線。從圖7中可以看出：當(dāng)帶寬逐漸地變大時(shí)，BER（log）值近似直線下降。

5 結(jié)束語

目前，多個(gè)光模塊標(biāo)準(zhǔn)采用了PAM4作為光調(diào)制方式；但是相關(guān)技術(shù)產(chǎn)品沒有進(jìn)入規(guī)模部署，特別是在電信應(yīng)用場景中對光模塊的可靠性及距離要求高。PAM4光通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)需要全面考慮發(fā)送、接收及光路各種因素的影響，結(jié)合實(shí)際應(yīng)用推進(jìn)PAM4技術(shù)產(chǎn)業(yè)鏈成熟度，為5G承載網(wǎng)高速、可靠、規(guī)模部署做好準(zhǔn)備。

參考文獻(xiàn)

[1] TX LINEARITY MEASUREMENT PROPOSAL[R/OL].（2016-01-16）[2018-08-06].

http：//www.ieee802.org/3/bs/public/16_01/hegde_3bs_03_0116.pdf

[2] IEEE P802.3bs Baseline Summary： IEEE P802.3bs [S/OL]. （2015-07-15）[2018-08-06]. http：//www.ieee802.org/3/bs/baseline_3bs_0715.pdf

[3] 400GbE using Nyquist PAM4 for 2km and 10km PMD[R/OL]. （2014-09-14）[2018-08-06]. http：//grouper.ieee.org/groups/802/3/bs/public/14_09/rao_3bs_01b_0914.pdf

[4] FEC Performance with PAM4 Precoding[R/OL]. （2015-07-15）[2018-00-00]. http：//www.ieee802.org/3/bs/public/15_07/anslow_3bs_04_0715.pdf

[5] BHOJA S， BLISS W， CHEN C， et al. Precoding Proposal for PAM4 Modulation[R/OL]. （2011-09-11）[2018-08-06]. http：//ieee802.org/3/bj/public/sep11/parthasarathy_01_0911.pdf

[6] ANSLOW P， CIENA. SSPRQ Test Pattern[R/OL]. （2016-04-16） [2018-08-06]. http：//www.ieee802.org/3/bs/public/adhoc/smf/16_04_19/anslow_01_0416_smf.pdf

[7] Draft Amendment to IEEE Std 802.3-2015： IEEE Std 802.3-2015 [S/OL]. http：//www.ieee802.org/3/bs/public/17_03/king_3bs_01_0317.pdf

[8] Keysight Technologies. How to Overcome Test Challenges in 400G/PAM-4 Designs[R/OL]. （2017-02-15） [2018-08-06].https：//www.keysight.com/upload/cmc_upload/All/PAM-4_January2017_Final.pdf