導讀

上世紀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，未來可能成為萬物互聯(lián)的智能世界!

如果說20世紀是電的世紀，那么21世紀就是光的世紀。電在上個世紀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行信號傳輸?shù)恼{(diào)制技術(shù)，當前已被廣泛應(yīng)用在高速信號互連領(lǐng)域。

PAM4相比NRZ優(yōu)勢在哪?

當傳輸速率在28Gbps時，不少業(yè)內(nèi)人士就已經(jīng)認識到了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在當時進展并不快。

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)部進行電光轉(zhuǎn)換時，則可以直接實現(xiàn)PAM4信號的時鐘恢復以及預加重等處理，免去了先將PAM4信號轉(zhuǎn)化成2倍波特率的NRZ信號再進行相關(guān)處理的多余環(huán)節(jié)，進而可以節(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)標準組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)全面鋪開后預計將達到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。然而運營商無法按照這樣的比例去增收用戶的費用，甚至還要做到提速降費，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%的年復合增長率;在電信市場將實現(xiàn)約5%的復合年增長率。

隨著5G技術(shù)的不斷發(fā)展和人們對于網(wǎng)絡(luò)需求的進一步提升，未來也不排除采用更多電平的PAM6或PAM8進行信號傳輸。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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原文標題：奏響5G交響樂，誰是指揮家?

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審核編輯：湯梓紅