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[导读]流量的增长已经使得业界对更复杂的调制方式日益重视,PAM4则是目前呼声最高的调制方式。MACOM在近日深圳召开的2017中国光博会上展示业界首个100G单波长PAM-4技术的PHY模块MATP-10025,将推动整个行业向更高速率的光通信迈进。
前言 当大数据、云计算和物联网走向规模应用,我们也跟随技术发展进入到互联网+ 2.0时代,人工智能、智能互联成为新时代的关键词。调研数据显示到2020年,将有500亿台相互连接的智能设备;平均每人每天通过PC、手机和可穿戴设备将会生成1.5G的数据量。万物的智能互联引发数据生态的巨变,越来越多的国家计划提高宽带速率以应对其激增的压力。目前全球超过50家运营商正在提供千兆宽带业务,在韩国、美国和中国香港等地,运营商已经针对企业和家庭用户开通了2G乃至10G的业务;在中国,2013年国务院发布了国家宽带战略—计划到2020年使发达城市家庭用户的接入速率达到1Gb/s;在欧盟和美国,各国政府也在加速提升国家基础带宽,或者给予宽带发展较大的支持。 PONroad.jpg 图1 PON技术演进趋势示意图 虽然很多候选技术还在研讨和比较中,但单波速率超过10G基本达成一致,演进方向主要是单波速率25G。整个PON系统中,针对家庭用户接入,单波25G PON可以作为主流技术;而对于政企用户,由于带宽需求大,可在单波25G的基础上通过波长叠加实现2×25G或4×25G的更高带宽。光接入领域,运营商的主要诉求是在带宽升级的同时能重用既有光纤网络。ODN(光配线网络)链路涉及基础设施施工,难度大、成本高,建设成本占了整个PON网络部署的大部分。因此运营商在下一代PON网络升级时,对不改动ODN链路有强烈的诉求。当前ODN链路一般需要支持最少20km光纤、1∶32分光器,因此单波高速PON的主要挑战将集中在色散、功率预算以及速率选择方面。 色散难题 单波速率达到或超过25G时,NRZ调制格式的色散容限无法满足传纤20km要求。有两种方法可以解决此问题,一是采用零色散的O波段(光纤零色散区域),但此波段已被EPON和GPON占用,在PON网络多代共存场景下难以采用;二是采用电色散补偿方法,引入高色散容限的调制格式或电均衡算法是较可行的做法。 功率预算 在PON系统中由于较高功率预算要求,主要以APD为光接收器件。APD的接收灵敏度与信号速率有明显关系,当信号速率由10Gb/s提升到25Gb/s时,接收机的接收灵敏度会有4dB下降,如没有补偿措施会带来系统链路功率预算下降。目前的25G APD芯片技术和ROSA封装技术还不成熟,仅有少数供应商宣布拥有该技术,并且价格昂贵,低成本25G PON系统的光收发器件将是业界面临的问题。 速率选择 在单波超过10G速率后,会遇到色散困扰和功率预算不足等问题,且速率越高色散对系统的影响越大,系统功率预算也越紧张。相对于单波10G,单波25G可以采用Duo-binary、PAM4和NRZ+DSP等多种方案解决上述问题,这几种方案都属于多阶调制。为数据中心实现100G连接的需求已经非常明确,但使100G应用成为主流的方法却并非十分清楚。早期实现的100G光收发器利用NRZ信号调制方案,该解决方案经证明可行。不过,与所有主流技术过渡的情况一样,系统设计人员需要明确的行业标准来解决各个竞争方法之间徘徊不定的歧义问题,此标准应该是能让设计人员有信心达成一致的商定标准。单波长(λ) PAM-4调制方案已成为这一标准。 光通信的几种调制方式 NRZ(非归零码) 光路传输时,需要解决数字数据的数字信号表示以及收发两端之间的信号同步问题。对于传输数字信号来说,最简单最常用的方法是用不同的电压电平来表示两个二进制数字,即数字信号由矩形脉冲组成。按数字编码方式,可以划分为单极性码和双极性码,单极性码使用正(或负)的电压表示数据;双极性码是二进制码,1为反转,0为保持零电平。根据信号是否归零,还可以划分为归零码和非归零码,归零码码元中间的信号回归到0电平,例如"1"为正电平,"0"为负电平, 每个数据表示完毕后,都会回归到零电平状态,而非归零码没有回归到零电平的过程,例如"1"为高电平,"0"为低电平。常见的两种不归零码编码方案如下: 单极性不归零码 无电压(也就是无电流)用来表示"0",而恒定的正电压用来表示"1"。每一个码元时间的中间点是采样时间,判决门限为半幅度电平(即0.5)。也就是说接收信号的值在0.5与1.0之间,就判为"1"码,如果在0与0.5之间就判为"0"码。每秒钟发送的二进制码元数称为"码速"。 双极性不归零码 "1"码和"0"码都有电流,但是"1"码是正电流,"0"码是负电流,正和负的幅度相等,故称为双极性码。此时的判决门限为零电平,接收端使用零判决器或正负判决器,接收信号的值若在零电平以上为正,判为"1"码;若在零电平以下为负,判为"0"码。 以上两种编码,都是在一个码元的全部时间内发出或不发出电流(单极性)以及发出正电流或负电流(双极性)。每一位编码占用了全部码元的宽度,故这两种编码都属于全宽码,也称作不归零码NRZ (Non Return Zero)。 wtd-nrz-rz-and-manchester-promo_1.jpg 图 从上到下为1. 单极性不归零码 2. 双极性不归零码 3.单极性归零码 perfect_nrz_eye.png 图 理想NRZ传输眼图 basic_tx_nrz.png 图 NRZ发送端
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