初识PAM4

今天主要介绍下PAM4,笔者对此也是刚刚接触,如果有理解错误的地方,还请大家指出。

PAM的英文全称是pulse amplitude modulation, 即脉冲幅度调制。信号编码在脉冲的幅度上,由于幅度是一个连续变化的物理量,听起来这个概念似乎是应用在模拟通信上。为了能够应用到数字通信中,人们人为地规定振幅大于某个值,对应信号1;振幅小于某个值,对应信号0。这样脉冲的振幅就可以和数字通信中的0、1对应起来。实际应用中,振幅对应脉冲的高低电平。一个脉冲对应一个比特,有两种可能的状态,这种编码形式就是PAM2, 如下图所示。常用的NRZ(non return to zero)码和RZ(return to zero)码就是PAM2的两种形式。两者的差别在于信号是否回归到0电平。

(图片来自http://www.electronicdesign.com/communications/what-s-difference-between-nrz-and-pam)

随着对通信速度越来越高的要求,很自然地想到如何用单个脉冲传递更多的信息。一个脉冲可以对应更多的状态,PAM4就应运而生。顾名思义,PAM4中,一个脉冲有四种状态,也就是有四种可能的电压值,分别记为00、01、10、11,如下图所示,

(图片来自 https://www.neophotonics.com/pam-4-key-solution-next-generation-short-haul-optical-fiber-links/)

通过PAM4方案,单个脉冲就可以传递两比特信息。在相同条件下,信道容量就可以提升一倍,还是非常可观的。

但是天下没有免费的午餐,采用PAM4方案就会有一些代价。相比于NRZ方案,PAM4方案有四种电平,它对噪声更为敏感。因为PAM4更适用于短距离的通信,例如数据中心。另外,如何产生四种电平的脉冲,如何解码,以及如何进行测试,都会带来新的问题与挑战,需要更为复杂的电路设计。这些才是难点所在。

一个很自然的问题,既然PAM4可以提高一倍的信道容量,为什么不采用更多级的电平 ,例如PAM8、PAM16?电平越多,对信噪比的要求也就越高,实现的困难也就越大。随着电平的增多,似乎数字通信在慢慢地回归模拟通信。也许将来随着技术的提高,这些更复杂的形式(PAM-N)也会被采用。

另外一点,在量子信息中,一个量子比特可以是0和1的叠加态,不同于传统的光通信,脉冲电压要么是0,要么是1。单量子比特可以写成如下形式,

alpha和beta满足归一化条件即可,它们有无数种组合的可能。但是实际测量时,也还是要在特定的基矢下测量,对应0和1。现在的量子通信,利用量子信号传递密钥,亮点是实现通信的绝对安全,并没有关注于信道容量的提升。或许将来光通信中会利用到叠加态的性质,大幅度提升通信的容量。

总而言之,PAM4是实现100G以及更高速光通信的可行方案之一, 原理似乎很简单,难点在于如何物理实现。

文章中如果有任何错误和不严谨之处,还望不吝指出!欢迎大家留言讨论。

本文分享自微信公众号 - 光学小豆芽(photonwalker),作者:Photonwalker

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原始发表时间:2017-09-17

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