摘 要

PAM4信号作为下一代数据中心用作高速信号互连的一种非常受关注的信号传输技术，可以普遍应用来200G/400G接口的电信号或光信号的传导。在200/400G传输系统和PAM4信号实现的关键技术研究中，PAM4调制与解调技术和高速传输系统作为两个核心的关键技术。

在本文中，笔者主要针对这两个关键技术进行了深入的研究，首先对主流的三种PAM4光信号的研究与总结，通过对比每一种调制方式的特性与优缺点，得到了未来比较可行的具有广大前景的PAM4光学调制方式，对针对每一种现存的调制方式提出了一些可以改进的意见；然后针对PAM4信号的高速产生和传输这个关键技术进行了深入的研究，针对高速串行通信系统的核心器件—均衡技术进行了进一步的研究，对现在最流行的三种均衡技术：前向反馈均衡器（FFE）,连续时间线性均衡器（CTLE）以及判决反馈均衡器（DFE）的基本原理，结构等方面展开了研究，得到了一套比较全面的实用的联合均衡策略；紧接着研究了PAM4电信号的产生方式；最后根据对前面两个关键技术的学习和研究，提出了一套PAM4调制，传输与解调的整体系统，对相关技术进行了一个全面的总结。

关键词： PAM4信号；200G/400G；均衡

Abstract

As a next-generation data center, PAM4 signal is used as a highly-significant signal transmission technology for high-speed signal interconnection, and can generally be used to conduct electrical signals or optical signals to the 200G/400G interface. In the key technology research of 200/400G transmission system and PAM4 signal realization, PAM4 modulation and demodulation technology and high-speed transmission system are two key technologies.

In this article, the author mainly conducted in-depth research on these two key technologies. First, the research and summary of the three mainstream PAM4 optical signals were compared. By comparing the characteristics and advantages and disadvantages of each modulation method, it was feasible in the future. The PAM4 optical modulation method with broad prospects provides some suggestions for improvement for each existing modulation method; then, it conducts in-depth research on the key technology of high-speed generation and transmission of PAM4 signals, aiming at high-speed serial communication. The system's core component, the equalization technique, has further studied and is currently the most popular of three equalization techniques: Forward Feedback Equalizer (FFE), Continuous Time Linear Equalizer (CTLE) and Decision Feedback Equalizer (DFE). Principles, structures, algorithms and other aspects were studied and a comprehensive set of practical joint equalization strategies was obtained. Finally, based on the study and research of the first two key technologies, a set of PAM4 modulation, transmission and demodulation was proposed as a whole. System, a comprehensive summary of related technologies.

Key Words： PAM4 signal；200G/400G interface； equalization

目录

第1章 绪论 1

1.1研究背景 1

1.2国内外发展现状 2

1.3标准介绍 2

1.4关键技术的介绍 4

第2章 基本原理及器件 5

2.1 PAM4调制方式 5

2.2 MZM调制器 5

2.3 EAM调制器 6

2.3.1 Franz--Keldysh效应 6

2.3.1 量子约束Stark效应 7

第3章 PAM4光信号方案的关键技术 8

3.1 PAM4调制主流技术 8

3.2 第一种调制方式 8

3.2.1 串联MZ调制器 8

3.2.2 单个MZ调制器 9

3.3 第二种调制方式 9

3.3.1 EML调制方式 9

3.3.2 DML调制方式 10

3.3.3 MZM调制方式 11

3.4 第三种调制方式 11

3.5 色散均衡技术 12

第4章 PAM4电信号实现的关键技术 14

4.1 基于无源带宽合成器实现 14

4.2 基于数模转换器 14

4.3基于AWG产生PAM4 15

4.4 直接产生PAM4电信号 15

第5章 方案设计 16

5.1设计方案一 16

5.1.1 发射端设计 16

5.1.2设计方案总框图 18

5.2设计方案二 19

5.2.1 各调制方法的仿真 20

5.2.2 具体调制方法分析 24

5.2.3 设计方案总框架 25

第6章 总结与展望 27

6.1自我总结 27

6.2主要结论 27

6.3研究展望 27

参考文献 29

致谢 30

第1章 绪论

1.1研究背景

伴随着信息时代的到来与发展，大数据，云计算，互联网等技术不断发展与更新，我们完全身处于一个全新的信息化，数字化的世界，在这个数字化世界中，所有人都被连接到一起，这当然伴随着大量数据的发送，传输与接收，随着互联用户的增多，信息数据量成指数型增长，如何实现这些数据的快速与方便的传输成为了人们日益关注的话题。

随着数字信号处理技术与计算机科技的发展，数据的传输速率变的越来越快，这就要求信道的带宽也相应的增大。一般来说，提升带宽的思路主要有：

1.增大信号传输速率；

2.增加数据传输链路的数量；

3.增加信息传输的速度；

PAM4技术就是在以第三种思路的基础上产生的一种关键技术。

对于数据中心应用而言，减少元器件的使用，就可以比较明显的减少成本。采取更高阶的调制方式起始的目标，就是将更复杂的局部放在电域去解决而减少对光学元器件机能的要求。采用高阶调制格式，就是一个有效的方式来降低光学零件的使用数目、减少对光学器件性能的要求，并使得在不同的应用场景的机能，消耗，成本等不同因素之间到达一个平衡。

高速光通信系统现在还一直以传统的NRZ调制方式的光通信为主（因为其结构简单，实现起来比较容易），但是伴随着传输速率的不断提高，当传输速率由28Gbit/s向更高的速率发展的过程中，背板等电域信号的传输会对高频信号造成十分恶劣的损失，所以采取一种比NRZ这个基本调制方式更高阶的调制方式，在相同的时辰内传导比原来多的信息，因此光域的PAM4调制方式孕育而生，在数据速率上升到 200G 或 400G 时，PAM4 技术变得尤为重要。

PAM4调制技术相较于NRZ调制技术来说，PAM4调制在相同的波特率下的信息传输速率是NRZ码型的2倍，传输了更多的信息，并且具有更高的效率。大大提升高速互联的网络容量并降低每比特传输成本，满足了不断增加的网络带宽需求。PAM4成为下一代数据中心用来高速信号互连的一种热门技术，可以广泛应用来200G/400G系统的电或光域信号的传导。

综上所述，PAM4调制技术实现了传输带宽的提升以及改变了传统的NRZ调制方式，为光通信的进一步发展开启了新纪元。

1.2国内外发展现状

2014年的IEEE802.3bj 中定义了 100GBASE-KR4 基于 PAM4 的技术。由4根线传输，每根线传输 13.8Gbd。设计的最初目的是为了使用原本的板材来传导更高速度的信号。与此同时，基于NRZ 的100GBASE-KR4 4x25.78Gbd，也可以用来传输 100G。也得到了广泛的应用。在 100G的系统时，人们对PAM4技术并不是太感兴趣，因为板材的改进可以容易的实现 25G的码度传输。在2017年12月刚通过的IEEE P802.3bs中，定义了200G BASE-KP4和400G BASE-KP4无论是在100m,500m还是10km传输距离上均采用PAM4调制技术。

在国外，PAM4的研究开始的较早且发展的非常好，2015年Inphi即推出系列PAM-4PHY和TIA芯片来支持包括400GbpE等高速以太网应用,2017年9月，Inphi推出新的针对系统线路卡应用的Vega系列低功耗50/100/200/400G PAM4 Gearbox和重定时DSP芯片。

我国虽然在短距离光通信和PAM4调制解调技术研究上起步晚于国外，但是在短距离光通信实验以及调制编码方式等研究中也取得不少成果。今年400G方案是个热门，华为美研所最近发布的一个方案，建议了一套80km的112Gbps的PAM4技术方案，用两条路径MZ的光学方法把两个NRZ信号叠加成PAM4信号。OFC 2018方才结束，很多公司都演示了不同的400G方案的技术方案和产品。400G, 如果还采取四个通道的方式，对应通道的速率需要提高到100G，即便采取PAM4调制的时候，每个通道的调制速度也要达到50G，这在当下还具有一定的难度。而当采取8通道的形式，每个通道的速度是50G，采用PAM4调制时，每个通道速度和100G系统的要求一致，同样为25G。

1.3标准介绍

PAM4方案的电气接口名称为200GAUI-4/400GAUI-8，单通道速率为26.5625GBd。由于信号类型为PAM4，所以200G/400G的通道数量相对于NRZ方案都减了一半。200GAUI-4/400GAUI-8应用于PMA到PMA之间，模块PMA部分为Gearbox芯片或者是Retimer芯片，可以对信号进行重新采样来消除抖动和噪声影响。

IEEE802.3bs定义了200G/400G的物理层结构，如下图^[1]：

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