漫畫科普：什么是PAM4？

小明和小白是同班同學(xué)，也是一對(duì)好基友。

小明很聰明，學(xué)習(xí)成績也很好。而小白比較貪玩，成績很差。

班主任王老師每天都會(huì)安排考試，小明總是拿滿分，而小白總是拿零分。

于是，小白就問小明：

為了幫助好基友，小明經(jīng)過苦思冥想，終于計(jì)上心頭——

王老師的考試卷，只考判斷題，答案要么是1（對(duì)），要么是0（錯(cuò)）。

所以，他就和小白約定：考試的時(shí)候，自己會(huì)吹泡泡，吹大泡泡代表1（對(duì)），吹小泡泡代表0（錯(cuò)）。

果然，采用這個(gè)方法之后，小明每次考試都能準(zhǔn)確將答案傳遞給小白，大大提升了小白的考試成績。

得意的小白

然而，沒過多久，課程進(jìn)入了新的階段，難度大幅提升。王老師決定，將試卷里面的判斷題全部改成單選題，一共A/B/C/D四個(gè)選項(xiàng)。

這下小白慌了，四個(gè)選項(xiàng)，該怎么辦？

于是，小明和小白又有了新的對(duì)話：

小明告訴小白，根本沒有必要吹出字母形狀的泡泡，那樣也容易被老師發(fā)現(xiàn)。

“我經(jīng)過多年練習(xí)，現(xiàn)在可以精準(zhǔn)控制吹出泡泡的大小”，小明說，“當(dāng)我吹出大號(hào)的泡泡，就是A；中號(hào)的泡泡，就是B；小號(hào)的泡泡，就是C；超小號(hào)的泡泡，就是D?！?/span>

果然，在新方法的幫助下，小明依然可以將答案準(zhǔn)確地傳遞給小白，繼續(xù)幫助小白獲得好成績。

后來，小明考上了北京大學(xué)，小白進(jìn)入了百貨公司，他們都有光明的前途。。。

——?故事完 ——

好啦，上面這個(gè)故事，大家都看明白了沒？

首先，我要鄭重聲明一下：作弊是不對(duì)的。在任何情況下，都不應(yīng)該作弊。請(qǐng)小盆友們切勿模仿。

然后，我們?cè)賮矸治鲆幌鹿适吕锩娴淖鞅准记蓡栴}。

小明和小白的兩種作弊方法，其實(shí)從本質(zhì)上來說，就是現(xiàn)在光通信領(lǐng)域非常重要的兩項(xiàng)基本技術(shù)，那就是——NRZ和PAM4。

NRZ，就是Non-Return-to-Zero的縮寫，字面意思叫做“不歸零”，也就是不歸零編碼。

采用NRZ編碼的信號(hào)，就是使用高、低兩種信號(hào)電平來表示傳輸信息的數(shù)字邏輯信號(hào)。

NRZ有單極性不歸零碼和雙極性不歸零碼。

單極性不歸零碼，“1”和“0”分別對(duì)應(yīng)正電平和零電平，或負(fù)電平和零電平。

單極性不歸零碼

雙極性不歸零碼，“1”和“0”分別對(duì)應(yīng)正電平和等效負(fù)電平。

雙極性不歸零碼

所謂“不歸零”，不是說沒有“0”，而是說每傳輸完一位數(shù)據(jù)，信號(hào)無需返回到零電平。（顯然，相比RZ，NRZ節(jié)約了帶寬。）

在光模塊調(diào)制里面，我們是用激光器的功率來控制0和1的。

簡單來說，就是發(fā)光，實(shí)際發(fā)射光功率大于某門限值，就是1。小于某門限值，就是0。

傳輸011011就是這樣：

NRZ調(diào)制

接下來看看小明和小白的第二種作弊方法，也就是PAM4。

隨著帶寬需求的不斷增加，我們需要想盡辦法增加單位時(shí)間內(nèi)傳輸?shù)倪壿嬓畔ⅰ?/span>

PAM4，就是4-Level Pulse Amplitude Modulation，中文名叫做四電平脈沖幅度調(diào)制。它是一種調(diào)制技術(shù)，采用4個(gè)不同的信號(hào)電平來進(jìn)行信號(hào)傳輸。

還是傳輸011011，就變成這樣：

PAM4調(diào)制

這樣一來，單個(gè)符號(hào)周期表示的邏輯信息，從NRZ的1bit，變成了2bit，翻了一倍。

NRZ VS PAM4 （右邊是眼圖）

那么問題來了，這么爽的技術(shù)，為啥之前不用？如果4電平能夠翻一倍，為啥我們不搞個(gè)8電平、16電平、32電平？速度隨便翻倍，豈不爽歪歪？

主要原因，還是在于激光器的技術(shù)工藝（小明的嘴上功夫）。實(shí)現(xiàn)PAM4，需要激光器能夠做到對(duì)功率的精確控制。

4個(gè)電平，4種大小的泡泡，小明要控制得住，不能吹錯(cuò)。 小白也要看得清，不能看錯(cuò)。

萬一吹個(gè)忽大忽小的，到底是B？還是C呢？

如果控制不好，就會(huì)造成很高的誤碼率，只能重新吹，影響信號(hào)傳輸效率。

PAM4對(duì)噪聲更加敏感。如果噪聲太大，顯然也會(huì)導(dǎo)致PAM4調(diào)制無法正常工作。

光纖通信的傳輸，吹泡泡的速度可是非常快的。

我們以單路25G波特率為例。所謂波特率（Baud Rate），就是一秒鐘可以發(fā)送多少個(gè)完整脈沖。

例如25G EML芯片，約一秒鐘發(fā)送25×10⁹個(gè)脈沖（每秒250億個(gè)泡泡）。采用NRZ的話，那就是速率（比特率，bit rate）是25Gbps。采用PAM4調(diào)制技術(shù)的話，翻個(gè)倍，變成50Gbps。所以，1個(gè)25G EML芯片采用PAM4調(diào)制之后，就可以做成了單通道50G的PAM4光模塊。

現(xiàn)在很多大容量的光模塊，都是這么double（翻倍）出來的。

我們?cè)倥e一個(gè)基于PAM4調(diào)制的400G DML光收發(fā)模塊的例子。

發(fā)送單元信號(hào)時(shí)，16路25G NRZ電信號(hào)從電接口單元輸入，經(jīng)過DSP處理器對(duì)電信號(hào)進(jìn)行預(yù)處理、PAM4調(diào)制后，輸出8路25G PAM4的電信號(hào)，加載到驅(qū)動(dòng)器芯片上，通過8路的激光器將高速電信號(hào)轉(zhuǎn)換8路50Gbps的高速光信號(hào)，通過波分復(fù)用器合波后，合成1路400G的高速光信號(hào)輸出。

接收單元信號(hào)時(shí)，將接收的1路400G的高速光信號(hào)通過光接口單元輸入，經(jīng)過解復(fù)用器轉(zhuǎn)換成8路50Gbps的高速光信號(hào)，通過光接收機(jī)接收輸入光信號(hào)，并將所接收的光信號(hào)轉(zhuǎn)換成為電信號(hào)后，經(jīng)過DSP處理芯片對(duì)電信號(hào)進(jìn)行時(shí)鐘恢復(fù)、放大、均衡、PAM4解調(diào)后，轉(zhuǎn)換成16路25G NRZ的電信號(hào)。

好啦，以上就是NRZ和PAM4的簡單科普。大家都看懂了嗎？