PAM4相比NRZ優(yōu)勢在哪 為什么5G需要PAM4

導(dǎo)讀

上世紀(jì)90年代2G時代開啟，2000年3G網(wǎng)絡(luò)崛起，2014年4G技術(shù)到來，2019年5G正式滲入你我的生活。5G，作為一個嶄新的起點(diǎn)，未來可能成為萬物互聯(lián)的智能世界!

如果說20世紀(jì)是電的世紀(jì)，那么21世紀(jì)就是光的世紀(jì)。電在上個世紀(jì)解決了動力的傳輸問題，現(xiàn)在，我們需要利用光實現(xiàn)信息的高效傳輸。面對爆發(fā)式增長的數(shù)據(jù)量，市場對數(shù)據(jù)通信的帶寬需求也水漲船高。為了同時滿足傳輸效率、功耗、成本等因素，利用光波作為傳輸介質(zhì)的光互連技術(shù)成為當(dāng)前以及未來主流的實現(xiàn)中長距離數(shù)據(jù)通信的技術(shù)方向。

從NRZ到PAM4

說起光通信領(lǐng)域的重要技術(shù)，不得不提NRZ和PAM4。其中，NRZ(Non-Return-to-Zero)即不歸零編碼，它采用NRZ編碼的信號，使用高、低兩種信號電平來表示傳輸信息的數(shù)字邏輯信號。NRZ有單極性不歸零碼和雙極性不歸零碼兩種數(shù)字信號的基帶傳輸方式。

PAM4是繼NRZ之后熱門的信號傳輸技術(shù)。PAM4(4PulseAmplitudeModulation)即四電平脈沖幅度調(diào)制，它是一種采用4個不同的信號電平來進(jìn)行信號傳輸?shù)恼{(diào)制技術(shù)，當(dāng)前已被廣泛應(yīng)用在高速信號互連領(lǐng)域。

PAM4相比NRZ優(yōu)勢在哪?

當(dāng)傳輸速率在28Gbps時，不少業(yè)內(nèi)人士就已經(jīng)認(rèn)識到了NRZ對信號能量損耗的問題，也提出了用PAM4格式來傳輸。但由于NRZ依然能在大體上滿足28Gbps的應(yīng)用，并且從NRZ遷移到PAM4還需要得到相應(yīng)芯片及測試系統(tǒng)的支持，成本也會相應(yīng)升高。因此，PAM4在當(dāng)時進(jìn)展并不快。

隨著傳輸速率提升到了56Gbps，NRZ對于信號的損耗也達(dá)到了無法忽視的程度，這迫切需要采用更高階的調(diào)制技術(shù)來彌補(bǔ)諸多不足，業(yè)界對于PAM4的呼聲也越來越高。

對比這兩項技術(shù)，NRZ信號采用高、低兩種信號電平表示數(shù)字邏輯信號的1、0，每個時鐘周期可以傳輸1bit的邏輯信息。PAM4的信號則采用4個不同的信號電平進(jìn)行信號傳輸，每個時鐘周期可以傳輸2bit的邏輯信息，即00、01、10、11。因此，在同樣的波特率條件下，PAM4信號比特速率是NRZ信號的2倍，令傳輸效率提高一倍。

如果光信號也能夠采用PAM4來傳輸，在光模塊內(nèi)部進(jìn)行電光轉(zhuǎn)換時，則可以直接實現(xiàn)PAM4信號的時鐘恢復(fù)以及預(yù)加重等處理，免去了先將PAM4信號轉(zhuǎn)化成2倍波特率的NRZ信號再進(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)計成本。得益于PAM4帶來的利好條件，IEEE以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)組802.3已確定在400Gbps/200Gbps/50Gbps接口中的物理層采用PAM4編碼技術(shù)。

為什么5G需要PAM4?

5G網(wǎng)絡(luò)一個最重要的目標(biāo)就是對大帶寬應(yīng)用的支持，例如在線觀看4K甚至8K以上的視頻，以及諸如像VR/AR需要高速、低延時的應(yīng)用。這些對終端用戶的體驗改變可能只是看得更清楚或者手機(jī)里多了幾個APP，但是在整體網(wǎng)絡(luò)環(huán)境上卻意味著一次大幅度的升級。

比如，5G頻譜寬度要從100MHz起步，相比4G初期提升了5倍，到達(dá)Sub6G頻率階段將會比4G提升15至25倍，從網(wǎng)絡(luò)的承載容量上來看，預(yù)計也將會有2至3個數(shù)量級的提升。

然而，信號傳輸時必然伴隨著能量損耗的問題。如今5G網(wǎng)絡(luò)在各方面參數(shù)都要提升數(shù)倍，在損耗率不變的情況下，也意味著能量損耗也會成比例增加。所以提升的前提首先要“止損”，就好比我們要給一個池子灌滿水，如果一邊灌一邊漏，那么很多工作便成了無用功。

前面提到，由于PAM4信號每個符號周期可以傳輸2bit的信息，因此要實現(xiàn)同樣的信號傳輸能力，PAM4信號的符號速率只需要達(dá)到NRZ信號的一半即可。

以單通道50GPAM4即50GE光模塊為例，在發(fā)射方向，首先PAM4編碼芯片會將2×25G NRZ信號轉(zhuǎn)換為1×25GBaud PAM4信號，然后由激光器驅(qū)動芯片將PAM4信號放大，驅(qū)動25G激光器將電信號轉(zhuǎn)換為單波長25GBaud(50Gbps)光信號。其次在接收方向，探測器將上面的光信號轉(zhuǎn)換為電信號，整形放大后輸出至PAM4解碼芯片接收端。最后由PAM4解碼芯片再將該信號轉(zhuǎn)換為2×25GNRZ信號。

如此一來，由傳輸通道造成的損耗將會大大減少，有效地提升了帶寬利用效率。

在5G的建設(shè)中，成本對于運(yùn)營商們來說也是一座需要翻過的大山。單從基站的數(shù)量上看，由于5G信號頻率的特性，要想達(dá)到理想的網(wǎng)絡(luò)覆蓋和速度，基站的數(shù)量將至少是4G的2倍，網(wǎng)絡(luò)全面鋪開后預(yù)計將達(dá)到4至5倍，而且每個基站的功耗更高，組網(wǎng)也需要的更多的光纖。然而運(yùn)營商無法按照這樣的比例去增收用戶的費(fèi)用，甚至還要做到提速降費(fèi)，所以要降低成本只能從每個環(huán)節(jié)中去省出來。

PAM4在帶寬利用率上的提升所帶來的光模塊成本降低，也是5G實現(xiàn)低成本、廣覆蓋的關(guān)鍵因素。作為網(wǎng)絡(luò)物理層的基礎(chǔ)構(gòu)成單元，光模塊在移動承載網(wǎng)設(shè)備的成本構(gòu)成中占比越來越大，部分設(shè)備中甚至超過50-70%。據(jù)分析機(jī)構(gòu)Yole的調(diào)研，2019年至2025年，來自數(shù)通市場的光模塊需求，將實現(xiàn)約20%的年復(fù)合增長率;在電信市場將實現(xiàn)約5%的復(fù)合年增長率。

隨著5G技術(shù)的不斷發(fā)展和人們對于網(wǎng)絡(luò)需求的進(jìn)一步提升，未來也不排除采用更多電平的PAM6或PAM8進(jìn)行信號傳輸。5G這曲“交響樂”，除了要有站在臺上的這位光互連技術(shù)作為“指揮家”帶頭指引，還得有在核心網(wǎng)、回傳前傳和無線接入中的每位“樂手”分毫不差地配合，才能將這首曲子演奏地精彩漂亮。

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原文標(biāo)題：奏響5G交響樂，誰是指揮家?

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審核編輯：湯梓紅