短距光互連的PAM4調(diào)制技術(shù)研究.pdf

1、在數(shù)據(jù)中心及短距離光纖傳輸領(lǐng)域，目前仍然采用的是NRZ的調(diào)制方式。但是隨著傳輸速率由28G向更高速率的演化，背板等電信號(hào)傳輸會(huì)對(duì)高頻信號(hào)產(chǎn)生更惡劣的損耗，而采用更高階的調(diào)制，在相同信號(hào)帶寬下可以傳輸更多的數(shù)據(jù)，因此業(yè)界對(duì)采用更高階的PAM4調(diào)制方式呼聲越來(lái)越高。相應(yīng)地，如果光信號(hào)也能夠采用PAM4來(lái)傳輸，則在光模塊內(nèi)部進(jìn)行電光轉(zhuǎn)換時(shí)，可以直接實(shí)現(xiàn)對(duì)PAM4信號(hào)的時(shí)鐘恢復(fù)以及預(yù)加重等處理，從而免去了先將PAM4信號(hào)轉(zhuǎn)化成2倍波特率的NRZ

2、信號(hào)再進(jìn)行相關(guān)處理的多余環(huán)節(jié)，進(jìn)而可以節(jié)省芯片設(shè)計(jì)成本。在華為的2014年一份研究報(bào)告中指出，在比較系統(tǒng)復(fù)雜性、系統(tǒng)性能以及成本條件下，PAM4是大有實(shí)用前景的一種調(diào)制格式[32]。
　　2015年年中，IEEE P802.3bs工作小組開(kāi)會(huì)，已經(jīng)投票將會(huì)對(duì)以下四個(gè)應(yīng)用場(chǎng)景來(lái)制定相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)。分別是100m多模光纖、500m單模光纖、2km單模光纖、10km單模光纖。其中，100m范圍內(nèi)，依然采用NRZ調(diào)制格式的多模光纖來(lái)傳輸。50

3、0m、2km、10km傳輸時(shí)采用單模光纖，但調(diào)制格式的選取上，仍舊有所保守，沒(méi)有指出一個(gè)明確的方向，并且如何來(lái)選取發(fā)射接收端器件、具體參數(shù)怎么來(lái)定，都也還沒(méi)有明確的定義，這些都需要業(yè)界更多的研究來(lái)提供參考。而本文就是基于現(xiàn)有的NRZ鏈路模型，運(yùn)用先進(jìn)的仿真軟件進(jìn)行適當(dāng)?shù)姆抡?，進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化并得到最佳的搭配方案，來(lái)證明PAM4完全可以用于光網(wǎng)絡(luò)傳輸，并給標(biāo)準(zhǔn)定義以及器件廠商設(shè)計(jì)系統(tǒng)器件時(shí)作為參考。
　　本文先基于目前光纖通信系統(tǒng)總結(jié)出

4、了基于不同應(yīng)用場(chǎng)景最流行的三種搭配方式。然后對(duì)PAM4三種未來(lái)可能采用的鏈路連接方式進(jìn)行了討論，并預(yù)測(cè)到將來(lái)將會(huì)采用Host以及光模塊內(nèi)部都是PAM4調(diào)制格式的信號(hào)來(lái)傳輸。
　　然后在第四章中對(duì)第二章節(jié)里面所總結(jié)的三種應(yīng)用場(chǎng)景分別進(jìn)行了NRZ與PAM4的仿真。筆者成功地搭建了三種場(chǎng)景下的傳輸鏈路系統(tǒng)，并通過(guò)增加 CDR模塊解決了在多模光纖中接收端誤碼儀不能正確解析發(fā)送信號(hào)的問(wèn)題。多模光纖傳輸中的仿真結(jié)果表明，在28Gbaud/s下

5、，采用系統(tǒng)默認(rèn)VCSEL參數(shù)在多模光纖中傳輸PAM4信號(hào)距離為100m時(shí)，接收端誤碼已在1E-4左右，而筆者通過(guò)構(gòu)建實(shí)際的P-I-V曲線導(dǎo)入模塊，并對(duì)有源區(qū)直徑、光子壽命、上下腔反射系數(shù)等參數(shù)進(jìn)行合理優(yōu)化，可以將誤碼率降至1E-7，就可以滿足傳輸PAM4的1E-5的要求。而仿真結(jié)果也顯示，雖然工作于1550nm波段外調(diào)制系統(tǒng)在長(zhǎng)距離通信比較流行，由于其色散系數(shù)比較大（16ps/nm/km），并不適合PAM4的傳輸，在2km的傳輸距離時(shí)，

6、誤碼率已達(dá)到4E-3，而相同NRZ碼的誤碼率為3E-16，兩者相差-13個(gè)數(shù)量級(jí)，雖然可以加上色散補(bǔ)償模塊，但這也會(huì)造成成本的升高，因此也不建議去采用外調(diào)制這種方式。
　　相對(duì)于以上兩種方式，仿真結(jié)果發(fā)現(xiàn)在2km的傳輸范圍左右，采用DFB激光器在單模光纖中傳輸時(shí)是最優(yōu)的搭配方式，并且通過(guò)仿真得到了接收端誤碼率與傳輸距離、比特率的關(guān)系式。進(jìn)而可以得出一些很有建設(shè)性的結(jié)論，比如NRZ傳輸?shù)恼`碼率對(duì)傳輸距離更加敏感。雖然PAM4相對(duì)于同