光通信調(diào)制方式的下一站: PAM4

前言

當(dāng)大數(shù)據(jù)、云計(jì)算和物聯(lián)網(wǎng)走向規(guī)模應(yīng)用，我們也跟隨技術(shù)發(fā)展進(jìn)入到互聯(lián)網(wǎng)+ 2.0時(shí)代，人工智能、智能互聯(lián)成為新時(shí)代的關(guān)鍵詞。調(diào)研數(shù)據(jù)顯示到2020年，將有500億臺(tái)相互連接的智能設(shè)備;平均每人每天通過(guò)PC、手機(jī)和可穿戴設(shè)備將會(huì)生成1.5G的數(shù)據(jù)量。萬(wàn)物的智能互聯(lián)引發(fā)數(shù)據(jù)生態(tài)的巨變，越來(lái)越多的國(guó)家計(jì)劃提高寬帶速率以應(yīng)對(duì)其激增的壓力。目前全球超過(guò)50家運(yùn)營(yíng)商正在提供千兆寬帶業(yè)務(wù)，在韓國(guó)、美國(guó)和中國(guó)香港等地，運(yùn)營(yíng)商已經(jīng)針對(duì)企業(yè)和家庭用戶開通了2G乃至10G的業(yè)務(wù);在中國(guó)，2013年國(guó)務(wù)院發(fā)布了國(guó)家寬帶戰(zhàn)略—計(jì)劃到2020年使發(fā)達(dá)城市家庭用戶的接入速率達(dá)到1Gb/s;在歐盟和美國(guó)，各國(guó)政府也在加速提升國(guó)家基礎(chǔ)帶寬，或者給予寬帶發(fā)展較大的支持。

圖1 PON技術(shù)演進(jìn)趨勢(shì)示意圖

雖然很多候選技術(shù)還在研討和比較中，但單波速率超過(guò)10G基本達(dá)成一致，演進(jìn)方向主要是單波速率25G。整個(gè)PON系統(tǒng)中，針對(duì)家庭用戶接入，單波25G PON可以作為主流技術(shù);而對(duì)于政企用戶，由于帶寬需求大，可在單波25G的基礎(chǔ)上通過(guò)波長(zhǎng)疊加實(shí)現(xiàn)2×25G或4×25G的更高帶寬。光接入領(lǐng)域，運(yùn)營(yíng)商的主要訴求是在帶寬升級(jí)的同時(shí)能重用既有光纖網(wǎng)絡(luò)。ODN(光配線網(wǎng)絡(luò))鏈路涉及基礎(chǔ)設(shè)施施工，難度大、成本高，建設(shè)成本占了整個(gè)PON網(wǎng)絡(luò)部署的大部分。因此運(yùn)營(yíng)商在下一代PON網(wǎng)絡(luò)升級(jí)時(shí)，對(duì)不改動(dòng)ODN鏈路有強(qiáng)烈的訴求。當(dāng)前ODN鏈路一般需要支持最少20km光纖、1∶32分光器，因此單波高速PON的主要挑戰(zhàn)將集中在色散、功率預(yù)算以及速率選擇方面。

色散難題

單波速率達(dá)到或超過(guò)25G時(shí)，NRZ調(diào)制格式的色散容限無(wú)法滿足傳纖20km要求。有兩種方法可以解決此問題，一是采用零色散的O波段(光纖零色散區(qū)域)，但此波段已被EPON和GPON占用，在PON網(wǎng)絡(luò)多代共存場(chǎng)景下難以采用;二是采用電色散補(bǔ)償方法，引入高色散容限的調(diào)制格式或電均衡算法是較可行的做法。

功率預(yù)算

在PON系統(tǒng)中由于較高功率預(yù)算要求，主要以APD為光接收器件。APD的接收靈敏度與信號(hào)速率有明顯關(guān)系，當(dāng)信號(hào)速率由10Gb/s提升到25Gb/s時(shí)，接收機(jī)的接收靈敏度會(huì)有4dB下降，如沒有補(bǔ)償措施會(huì)帶來(lái)系統(tǒng)鏈路功率預(yù)算下降。目前的25G APD芯片技術(shù)和ROSA封裝技術(shù)還不成熟，僅有少數(shù)供應(yīng)商宣布擁有該技術(shù)，并且價(jià)格昂貴，低成本25G PON系統(tǒng)的光收發(fā)器件將是業(yè)界面臨的問題。

速率選擇

在單波超過(guò)10G速率后，會(huì)遇到色散困擾和功率預(yù)算不足等問題，且速率越高色散對(duì)系統(tǒng)的影響越大，系統(tǒng)功率預(yù)算也越緊張。相對(duì)于單波10G，單波25G可以采用Duo-binary、PAM4和NRZ+DSP等多種方案解決上述問題，這幾種方案都屬于多階調(diào)制。為數(shù)據(jù)中心實(shí)現(xiàn)100G連接的需求已經(jīng)非常明確，但使100G應(yīng)用成為主流的方法卻并非十分清楚。早期實(shí)現(xiàn)的100G光收發(fā)器利用NRZ信號(hào)調(diào)制方案，該解決方案經(jīng)證明可行。不過(guò)，與所有主流技術(shù)過(guò)渡的情況一樣，系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員需要明確的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)來(lái)解決各個(gè)競(jìng)爭(zhēng)方法之間徘徊不定的歧義問題，此標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)該是能讓設(shè)計(jì)人員有信心達(dá)成一致的商定標(biāo)準(zhǔn)。單波長(zhǎng)(λ) PAM-4調(diào)制方案已成為這一標(biāo)準(zhǔn)。

光通信的幾種調(diào)制方式

NRZ(非歸零碼)

光路傳輸時(shí)，需要解決數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)的數(shù)字信號(hào)表示以及收發(fā)兩端之間的信號(hào)同步問題。對(duì)于傳輸數(shù)字信號(hào)來(lái)說(shuō)，最簡(jiǎn)單最常用的方法是用不同的電壓電平來(lái)表示兩個(gè)二進(jìn)制數(shù)字，即數(shù)字信號(hào)由矩形脈沖組成。按數(shù)字編碼方式，可以劃分為單極性碼和雙極性碼，單極性碼使用正(或負(fù))的電壓表示數(shù)據(jù);雙極性碼是二進(jìn)制碼，1為反轉(zhuǎn)，0為保持零電平。根據(jù)信號(hào)是否歸零，還可以劃分為歸零碼和非歸零碼，歸零碼碼元中間的信號(hào)回歸到0電平，例如"1"為正電平，"0"為負(fù)電平， 每個(gè)數(shù)據(jù)表示完畢后，都會(huì)回歸到零電平狀態(tài)，而非歸零碼沒有回歸到零電平的過(guò)程，例如"1"為高電平，"0"為低電平。常見的兩種不歸零碼編碼方案如下：

單極性不歸零碼

無(wú)電壓(也就是無(wú)電流)用來(lái)表示"0"，而恒定的正電壓用來(lái)表示"1"。每一個(gè)碼元時(shí)間的中間點(diǎn)是采樣時(shí)間，判決門限為半幅度電平(即0.5)。也就是說(shuō)接收信號(hào)的值在0.5與1.0之間，就判為"1"碼，如果在0與0.5之間就判為"0"碼。每秒鐘發(fā)送的二進(jìn)制碼元數(shù)稱為"碼速"。

雙極性不歸零碼

"1"碼和"0"碼都有電流，但是"1"碼是正電流，"0"碼是負(fù)電流，正和負(fù)的幅度相等，故稱為雙極性碼。此時(shí)的判決門限為零電平，接收端使用零判決器或正負(fù)判決器，接收信號(hào)的值若在零電平以上為正，判為"1"碼;若在零電平以下為負(fù)，判為"0"碼。

以上兩種編碼，都是在一個(gè)碼元的全部時(shí)間內(nèi)發(fā)出或不發(fā)出電流(單極性)以及發(fā)出正電流或負(fù)電流(雙極性)。每一位編碼占用了全部碼元的寬度，故這兩種編碼都屬于全寬碼，也稱作不歸零碼NRZ (Non Return Zero)。

圖 從上到下為1. 單極性不歸零碼 2. 雙極性不歸零碼 3.單極性歸零碼

圖 理想NRZ傳輸眼圖

圖 NRZ發(fā)送端

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Doubinary(雙二進(jìn)制)

Duobinary按照一定的規(guī)則將原來(lái)的二進(jìn)制中邏輯信號(hào)“1”和“0”轉(zhuǎn)換為邏輯信號(hào)“+1”、“-1”和“0”，使信號(hào)的頻譜帶寬減為原來(lái)的一半。采用Duobinary調(diào)制，可以減少信號(hào)占有的帶寬，改進(jìn)頻率的利用率，增大光信號(hào)在光纖中的傳輸距離。調(diào)制解調(diào)過(guò)程分為預(yù)編碼、編碼和解碼。由于采用預(yù)編碼，所以在接收端只需一個(gè)模2運(yùn)算器進(jìn)行解碼。在調(diào)制過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生“0”、“+1”、“-1”三種調(diào)制信號(hào)，“+1”、“-1”對(duì)應(yīng)同一種邏輯碼。

目前大多數(shù)的光通信系統(tǒng)使用NRZ調(diào)制。NRZ比較適用于長(zhǎng)距離的傳輸線路，因?yàn)閱文９饫w的色散可以通過(guò)另外增加一條負(fù)色散的光纖來(lái)補(bǔ)償。但是如果不增加這條補(bǔ)償單模光纖，則需要考慮其他調(diào)制方式，Duobinary是業(yè)界使用的第二種調(diào)制方式，因?yàn)槠鋵?duì)于色散并不敏感且實(shí)現(xiàn)起來(lái)沒有增加多少?gòu)?fù)雜性(想比PAM4)。Duobinary使用小于R/2Hz的帶寬來(lái)傳輸R bps波特率。根據(jù)奈奎斯特定理，如果傳輸沒有碼間干擾(ISI)的Rbps波特率的數(shù)據(jù)，最小帶寬需求為R/2 Hz，這就意味著duobinary調(diào)制方式要利用到碼間干擾。這種碼間干擾是通過(guò)一種故意計(jì)算的方式進(jìn)行添加，所以能在接收時(shí)進(jìn)行去除。

圖 Duobinary編碼器

在有色散的情況下duobinary的接收誤碼率大大小于NRZ方式，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明Duobinary能夠提升NRZ的傳輸距離且不增加補(bǔ)償光纖。Duobinary的編碼原理的核心是使用傳輸信道的特性，從而添加可控制的碼間干擾。在應(yīng)用于光通信系統(tǒng)之前，Duobinary已經(jīng)在其他系統(tǒng)(如磁盤系統(tǒng))中使用過(guò)很長(zhǎng)時(shí)間。

圖 完整的Duobinary調(diào)制解調(diào)系統(tǒng)

圖 理想Duobinary傳輸眼圖

圖 Duobinary發(fā)送端

圖 Duobinary接收端

PAM4

如前所述，流量的增長(zhǎng)已經(jīng)使得業(yè)界對(duì)更復(fù)雜的調(diào)制方式日益重視，PAM4則是目前呼聲最高的調(diào)制方式。53G的PAM4調(diào)制方式可以在單模光纖中達(dá)到100G的速率。

PAM4調(diào)制方式采用4個(gè)不同的信號(hào)電平來(lái)進(jìn)行信號(hào)傳輸，每個(gè)符號(hào)周期可以表示2個(gè)bit的邏輯信息(0、1、2、3)。由于PAM4信號(hào)每個(gè)符號(hào)周期可以傳輸2bit的信息，因此要實(shí)現(xiàn)同樣的信號(hào)傳輸能力，PAM4信號(hào)的符號(hào)速率只需要達(dá)到NRZ信號(hào)的一半即可，因此傳輸通道對(duì)其造成的損耗大大減小。實(shí)際上PAM4在IEEE協(xié)會(huì)于2014年頒布的針對(duì)100G背板的802.3bj標(biāo)準(zhǔn)里，就同時(shí)定義了兩種信號(hào)傳輸方式：4組25.78G波特率的NRZ信號(hào)，或者4組13.6G波特率的PAM4信號(hào)。只不過(guò)后來(lái)隨著芯片技術(shù)以及PCB板材和連接器技術(shù)的發(fā)展，25G波特率的NRZ技術(shù)很快實(shí)現(xiàn)商用應(yīng)用;而PAM4由于技術(shù)成熟度和成本的原因，并沒有在100G以太網(wǎng)的技術(shù)中被真正應(yīng)用。 在新一代的200G/400G接口標(biāo)準(zhǔn)的制定過(guò)程中，普遍的訴求是每對(duì)差分線上的數(shù)據(jù)速率要提高到50Gbps以上。如果仍然采用NRZ技術(shù)，由于每個(gè)符號(hào)周期只有不到20ps，對(duì)于收發(fā)芯片以及傳輸鏈路的時(shí)間裕量要求更加苛刻，所以PAM4技術(shù)的采用幾乎成為了必然趨勢(shì) 。

圖 PAM4時(shí)域波形

圖 理想PAM4傳輸眼圖

圖 PAM4發(fā)送端

圖 PAM4接收端

光鏈路PHY的組成

實(shí)現(xiàn)100G、400G的光通信系統(tǒng)，最核心的器件莫過(guò)于光路PHY。當(dāng)前已有一些25Gx4和50Gx2的復(fù)用光路PHY在使用中。但是對(duì)于成本、功耗和線路管理而言，單波長(zhǎng)100G的光路PHY無(wú)疑是最佳選擇。以下分別是單波長(zhǎng)100G光路PHY與四波長(zhǎng)復(fù)用的400G光路PHY的示意圖。

圖 100G單波長(zhǎng)光路PHY

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圖 400G四波長(zhǎng)復(fù)用光路PHY

光路PHY的原理框圖由如下部分組成:

圖 NRZ調(diào)制方式PHY組成

圖 PAM4調(diào)制方式PHY組成

如前所述，PAM4已經(jīng)是單波長(zhǎng)光路PHY最具優(yōu)勢(shì)的調(diào)制方式。NRZ在100G的速率中因?yàn)樯⒃趥鬏斁嚯x上劣于PAM4將不會(huì)得到市場(chǎng)的大規(guī)模采用。而在光路PHY中由于PAM4所需功率大大增加，功率FET的性能至關(guān)重要。MACOM的FinFET相對(duì)于競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手的平面工藝的FET在效率上有質(zhì)的飛躍。FinFET因?yàn)椴捎昧硕鄸艠O的制造工藝而使的漏電流大大減小，非常適合應(yīng)用于100G單波長(zhǎng)的光路PHY中。下圖為FinFET的平面結(jié)構(gòu)：

圖 FinFET平面圖

如圖所示，因?yàn)闁艠O采用了新的制造工藝，相對(duì)于傳統(tǒng)平面工藝的FET，在遠(yuǎn)離源極與漏極的地方，漏電流得到了更有效地控制。這一點(diǎn)是FinFET效率提升的關(guān)鍵所在。以下是FinFET的立體結(jié)構(gòu),更清晰表明了其工藝的特點(diǎn)：

圖 FinFET立體圖

業(yè)界首個(gè)100G單波長(zhǎng)光鏈路接口產(chǎn)品——MATP-10025

MACOM已經(jīng)在近日2017中國(guó)光博會(huì)上展示業(yè)界首個(gè)100G單波長(zhǎng)PAM-4技術(shù)的PHY模塊MATP-10025。該P(yáng)HY模塊融合了MACOM的16nm FinFET 100Gb/s PAM4 DSP、和TIA。

圖 MATP-10025光鏈路模塊

總結(jié)與展望

PAM-4由AppliedMicro和Cisco等企業(yè)倡導(dǎo)，并被IEEE采用，經(jīng)證明是迄今為止最具成本效益和最有效的數(shù)據(jù)中心100G和400G推動(dòng)因素。對(duì)于100G收發(fā)器，單波長(zhǎng)PAM-4技術(shù)將激光器數(shù)量減少為一個(gè)，并消除了對(duì)光復(fù)用的需求。對(duì)于400G實(shí)施方案僅需四個(gè)光學(xué)組件。MACOM通過(guò)對(duì)AppliedMicro的并購(gòu)及與其他合作伙伴的合作，實(shí)現(xiàn)了兩種互補(bǔ)產(chǎn)品組合的融合，因而能提供成熟的解決方案，包括專為每個(gè)λ模塊實(shí)現(xiàn)100G通信而設(shè)計(jì)PAM-4 DSP、線性驅(qū)動(dòng)器和線性TIA。MACOM擁有的光學(xué)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)方面的核心優(yōu)勢(shì)可以幫助加快適合數(shù)據(jù)中心應(yīng)用的100G收發(fā)器的大量部署，并且對(duì)于業(yè)界明確實(shí)現(xiàn)400G應(yīng)用的方法具有重要意義。