主流PAM4高速光模块

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       光收发模块发展至2018年,已经步入200G/400G应用,56GBaud、100GBaud速率的激光器光源还未成熟,如何在现有产业链条件下满足更高速率的光互连需求,更高阶的信号调制成为一种主流选择。

       
        PAM(Pulse Amplitude Modulation:脉冲幅度调制)信号调制是目前数据传输做高速信号互连的一种热门信号传输技术,可以广泛应用于100G/200G/400G接口的电信号或光信号传输。


      传统的数字信号最多采用的是NRZ(Non-Return-to-Zero)信号,即采用两种信号电平来表示数字逻辑信号的1、0信息,每个符号周期可传输1bit的逻辑信息,是PAM2的一种形式;而PAM信号则可以采用更多信号电平,从而每个符号周期可传输更多bit信息。比如以PAM4信号来说,采用4个不同的信号电平来进行信号(00、01、10、11)传输,每个符号周期可以表示2个bit的逻辑信息。下图是典型的NRZ信号的波形、眼图与PAM4信号的对比。


1PAM4调制(右边)使用4个幅度电平,相当于每个码两个比特,而NRZ(左边)的每个码发送1个比特

波特率和比特速率

     
      在对PAM-4
信号进行描述时,需要特别注意波特率(Baud Rate)和bit速率(Bit Rate)的区别。对于传统的NRZ信号来说,由于1个符号传输1bit数据,bit速率和波特率是一样的,比如在100G以太网里使用425.78125GBaud的信号进行传输,每路信号上的bit速率也是25.78125Gbps4路信号实现100G以太网的信号传输;而对于PAM-4信号来说,由于1个符号传输2bit数据,能传输的bit速率是波特率的2倍,比如在200G以太网里使用426.5625GBaud的信号进行传输,每路信号上的bit速率是53.125Gbps4路信号就可以实现200G以太网的信号传输。对于400G以太网来说,用826.5625GBaud的信号就可以实现了。下图是IEEE 802.3bs里定义的一些200G/400G以太网的接口标准。




2IEEE 802.3bs定义的200G400G PAM4接口

PAM4的代价与挑战


       PAM4有4个电平3个眼睛,NRZ是2个电平1个眼睛,接收灵敏度比NRZ更差。PAM4信号有16种切换状态,因此会导致上、下眼图在垂直方向上的不对称,眼图的非线性问题也较易发生。PAM4信号虽然降低了信号的符号率,但10dB以上的通道损耗还是会使得接收端信号眼图完全闭合。

因此,对于PAM4信号,发送端均衡必须做预加重Transmitter  pre-emphasis,接收端的信号需要综合应用多种均衡Receiver equalization,接收端均衡技术应用 CTLE(Continuous Time Linear Equalizer,连续时间线性均衡器)、FFE(Feed Forward Equalizer,前向反馈均衡器)和 DFE(Decision Feedback Equalizer, 判决反馈均衡器),使闭上的眼图张开。


      同时,在模块侧与设备侧引入FEC(前向纠错) 技术,这样BER的要求可以放宽到10^6倍,PAM4的设计只要满足BER < 10^-6,而不是10^-12。

     易飞扬拥有业内一流的研发团队,已经攻克PAM4调制的信号完整性设计难题,将在2018 CIOE展出系列50G PAM4技术平台的光模块产品,包括

  1. 100G SFP56 DD SR2/AOC,
  2. 200G QSFP56 SR4/AOC,
  3. 200G QSFP56 FR4,
  4. 400G QSFP56 DD SR8/AOC

等最新产品,敬请期待。