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漫畫科普：PAM4

2020-09-27 14:39:47 鮮棗課堂
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小明和小白是同班同學，也是一對好基友。
 
小明很聰明，學習成績也很好。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，小明經過苦思冥想，終于計上心頭——
 
 
王老師的考試卷，只考判斷題，答案要么是1（對），要么是0（錯）。
 
所以，他就和小白約定：考試的時候，自己會吹泡泡，吹大泡泡代表1（對），吹小泡泡代表0（錯）。
 
 
果然，采用這個方法之后，小明每次考試都能準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四個選項。
 
這下小白慌了，四個選項，該怎么辦？
 
 
于是，小明和小白又有了新的對話：
 
 
 
 
 
 
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現。
 
“我經過多年練習，現在可以精準控制吹出泡泡的大小”，小明說，“當我吹出大號的泡泡，就是A；中號的泡泡，就是B；小號的泡泡，就是C；超小號的泡泡，就是D。”
 
 
果然，在新方法的幫助下，小明依然可以將答案準確地傳遞給小白，繼續幫助小白獲得好成績。
 
后來，小明考上了北京大學，小白進入了百貨公司，他們都有光明的前途。。。
 
—— 故事完 ——
 
 
好啦，上面這個故事，大家都看明白了沒？smiley
 
首先，我要鄭重聲明一下：作弊是不對的。在任何情況下，都不應該作弊。請小盆友們切勿模仿。
 
然后，我們再來分析一下故事里面的作弊技巧問題。
 

 
小明和小白的兩種作弊方法，其實從本質上來說，就是現在光通信領域非常重要的兩項基本技術，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，就是使用高、低兩種信號電平來表示傳輸信息的數字邏輯信號。
 
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”分別對應正電平和零電平，或負電平和零電平。
 

單極性不歸零碼

 
雙極性不歸零碼，“1”和“0”分別對應正電平和等效負電平。
 

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據，信號無需返回到零電平。（顯然，相比RZ，NRZ節約了帶寬。）
 
在光模塊調制里面，我們是用激光器的功率來控制0和1的。
 
簡單來說，就是發光，實際發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間內傳輸的邏輯信息。
 
PAM4，就是4-Level Pulse Amplitude Modulation，中文名叫做四電平脈沖幅度調制。它是一種調制技術，采用4個不同的信號電平來進行信號傳輸。
 
還是傳輸011011，就變成這樣：
 
PAM4調制
 
這樣一來，單個符號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，為啥之前不用？如果4電平能夠翻一倍，為啥我們不搞個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工藝（小明的嘴上功夫）。實現PAM4，需要激光器能夠做到對功率的精確控制。
 
4個電平，4種大小的泡泡，小明要控制得住，不能吹錯。小白也要看得清，不能看錯。
 

萬一吹個忽大忽小的，到底是B？還是C呢？

 
如果控制不好，就會造成很高的誤碼率，只能重新吹，影響信號傳輸效率。
 
PAM4對噪聲更加敏感。如果噪聲太大，顯然也會導致PAM4調制無法正常工作。
 
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），就是一秒鐘可以發送多少個完整脈沖。
 
例如25G EML芯片，約一秒鐘發送25×109個脈沖（每秒250億個泡泡）。采用NRZ的話，那就是速率（比特率，bit rate）是25Gbps。采用PAM4調制技術的話，翻個倍，變成50Gbps。所以，1個25G EML芯片采用PAM4調制之后，就可以做成了單通道50G的PAM4光模塊。
 
現在很多大容量的光模塊，都是這么double（翻倍）出來的。
 
我們再舉一個基于PAM4調制的400G DML光收發模塊的例子。
 
發送單元信號時，16路25G NRZ電信號從電接口單元輸入，經過DSP處理器對電信號進行預處理、PAM4調制后，輸出8路25G PAM4的電信號，加載到驅動器芯片上，通過8路的激光器將高速電信號轉換8路50Gbps的高速光信號，通過波分復用器合波后，合成1路400G的高速光信號輸出。
 
 
接收單元信號時，將接收的1路400G的高速光信號通過光接口單元輸入，經過解復用器轉換成8路50Gbps的高速光信號，通過光接收機接收輸入光信號，并將所接收的光信號轉換成為電信號后，經過DSP處理芯片對電信號進行時鐘恢復、放大、均衡、PAM4解調后，轉換成16路25G NRZ的電信號。
 
好啦，以上就是NRZ和PAM4的簡單科普。大家都看懂了嗎？
 

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