漫画科普—到底什么叫PAM4

2020-09-21来源: 鲜枣课堂关键字:PAM4

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小明和小白是同班同学,也是一对好基友。

 

小明很聪明,学习成绩也很好。而小白比较贪玩,成绩很差。

 

班主任王老师每天都会安排考试,小明总是拿满分,而小白总是拿零分。

 

于是,小白就问小明:

 

 

 

为了帮助好基友,小明经过苦思冥想,终于计上心头——

 

 

王老师的考试卷,只考判断题,答案要么是1(对),要么是0(错)。

 

所以,他就和小白约定:考试的时候,自己会吹泡泡,吹大泡泡代表1(对),吹小泡泡代表0(错)。

 

 

果然,采用这个方法之后,小明每次考试都能准确将答案传递给小白,大大提升了小白的考试成绩。

 

然而,没过多久,课程进入了新的阶段,难度大幅提升。王老师决定,将试卷里面的判断题全部改成单选题,一共A/B/C/D四个选项。

 

这下小白慌了,四个选项,该怎么办? 

 

于是,小明和小白又有了新的对话:

 

 

 

 

小明告诉小白,根本没有必要吹出字母形状的泡泡,那样也容易被老师发现。

 

“我经过多年练习,现在可以精准控制吹出泡泡的大小”,小明说,“当我吹出大号的泡泡,就是A;中号的泡泡,就是B;小号的泡泡,就是C;超小号的泡泡,就是D。”

 

 

果然,在新方法的帮助下,小明依然可以将答案准确地传递给小白,继续帮助小白获得好成绩。

 

后来,小明考上了北京大学,小白进入了百货公司,他们都有光明的前途。。。

 

—— 故事完 ——

  

好啦,上面这个故事,大家都看明白了没?

 

首先,我要郑重声明一下:作弊是不对的。在任何情况下,都不应该作弊。请小盆友们切勿模仿。

 

然后,我们再来分析一下故事里面的作弊技巧问题。 

 

小明和小白的两种作弊方法,其实从本质上来说,就是现在光通信领域非常重要的两项基本技术,那就是——NRZ和PAM4。

 

NRZ,就是Non-Return-to-Zero的缩写,字面意思叫做“不归零”,也就是不归零编码。

 

采用NRZ编码的信号,就是使用高、低两种信号电平来表示传输信息的数字逻辑信号。

 

NRZ有单极性不归零码和双极性不归零码。

 

单极性不归零码,“1”和“0”分别对应正电平和零电平,或负电平和零电平。

 

 

单极性不归零码

 

双极性不归零码,“1”和“0”分别对应正电平和等效负电平。

 

 

双极性不归零码

 

所谓“不归零”,不是说没有“0”,而是说每传输完一位数据,信号无需返回到零电平。(显然,相比RZ,NRZ节约了带宽。)

 

在光模块调制里面,我们是用激光器的功率来控制0和1的。

 

简单来说,就是发光,实际发射光功率大于某门限值,就是1。小于某门限值,就是0。

 

传输011011就是这样:

 

 

NRZ调制

 

接下来看看小明和小白的第二种作弊方法,也就是PAM4。

 

随着带宽需求的不断增加,我们需要想尽办法增加单位时间内传输的逻辑信息。

 

PAM4,就是4-Level Pulse Amplitude Modulation,中文名叫做四电平脉冲幅度调制。它是一种调制技术,采用4个不同的信号电平来进行信号传输。

 

还是传输011011,就变成这样:

 

PAM4调制

 

这样一来,单个符号周期表示的逻辑信息,从NRZ的1bit,变成了2bit,翻了一倍。

 

NRZ VS PAM4 (右边是眼图)

 

那么问题来了,这么爽的技术,为啥之前不用?如果4电平能够翻一倍,为啥我们不搞个8电平、16电平、32电平?速度随便翻倍,岂不爽歪歪?

 

主要原因,还是在于激光器的技术工艺(小明的嘴上功夫)。实现PAM4,需要激光器能够做到对功率的精确控制。

 

4个电平,4种大小的泡泡,小明要控制得住,不能吹错。小白也要看得清,不能看错。

 

万一吹个忽大忽小的,到底是B?还是C呢?

 

如果控制不好,就会造成很高的误码率,只能重新吹,影响信号传输效率。

 

PAM4对噪声更加敏感。如果噪声太大,显然也会导致PAM4调制无法正常工作。

 

光纤通信的传输,吹泡泡的速度可是非常快的。

 

我们以单路25G波特率为例。所谓波特率(Baud Rate),就是一秒钟可以发送多少个完整脉冲。

 

例如25G EML芯片,约一秒钟发送25×109个脉冲(每秒250亿个泡泡)。采用NRZ的话,那就是速率(比特率,bit rate)是25Gbps。采用PAM4调制技术的话,翻个倍,变成50Gbps。所以,1个25G EML芯片采用PAM4调制之后,就可以做成了单通道50G的PAM4光模块。

 

现在很多大容量的光模块,都是这么double(翻倍)出来的。

 

我们再举一个基于PAM4调制的400G DML光收发模块的例子。

 

发送单元信号时,16路25G NRZ电信号从电接口单元输入,经过DSP处理器对电信号进行预处理、PAM4调制后,输出8路25G PAM4的电信号,加载到驱动器芯片上,通过8路的激光器将高速电信号转换8路50Gbps的高速光信号,通过波分复用器合波后,合成1路400G的高速光信号输出。

 

 

接收单元信号时,将接收的1路400G的高速光信号通过光接口单元输入,经过解复用器转换成8路50Gbps的高速光信号,通过光接收机接收输入光信号,并将所接收的光信号转换成为电信号后,经过DSP处理芯片对电信号进行时钟恢复、放大、均衡、PAM4解调后,转换成16路25G NRZ的电信号。

 

好啦,以上就是NRZ和PAM4的简单科普。


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