導(dǎo)讀

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

如果說(shuō)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(gè)世紀(jì)解決了動(dòng)力的傳輸問(wèn)題，現(xiàn)在，我們需要利用光實(shí)現(xiàn)信息的高效傳輸。面對(duì)爆發(fā)式增長(zhǎng)的數(shù)據(jù)量，市場(chǎng)對(duì)數(shù)據(jù)通信的帶寬需求也水漲船高。為了同時(shí)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(lái)主流的實(shí)現(xiàn)中長(zhǎng)距離數(shù)據(jù)通信的技術(shù)方向。

從NRZ到PAM4

說(shuō)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(hào)，使用高、低兩種信號(hào)電平來(lái)表示傳輸信息的數(shù)字邏輯信號(hào)。NRZ有單極性不歸零碼和雙極性不歸零碼兩種數(shù)字信號(hào)的基帶傳輸方式。

PAM4是繼NRZ之后熱門的信號(hào)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(gè)不同的信號(hào)電平來(lái)進(jìn)行信號(hào)傳輸?shù)恼{(diào)制技術(shù)，當(dāng)前已被廣泛應(yīng)用在高速信號(hào)互連領(lǐng)域。

PAM4相比NRZ優(yōu)勢(shì)在哪?

當(dāng)傳輸速率在28Gbps時(shí)，不少業(yè)內(nèi)人士就已經(jīng)認(rèn)識(shí)到了NRZ對(duì)信號(hào)能量損耗的問(wèn)題，也提出了用PAM4格式來(lái)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(cè)試系統(tǒng)的支持，成本也會(huì)相應(yīng)升高。因此，PAM4在當(dāng)時(shí)進(jìn)展并不快。

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

對(duì)比這兩項(xiàng)技術(shù)，NRZ信號(hào)采用高、低兩種信號(hào)電平表示數(shù)字邏輯信號(hào)的1、0，每個(gè)時(shí)鐘周期可以傳輸1bit的邏輯信息。PAM4的信號(hào)則采用4個(gè)不同的信號(hào)電平進(jìn)行信號(hào)傳輸，每個(gè)時(shí)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(hào)比特速率是NRZ信號(hào)的2倍，令傳輸效率提高一倍。

如果光信號(hào)也能夠采用PAM4來(lái)傳輸，在光模塊內(nèi)部進(jìn)行電光轉(zhuǎn)換時(shí)，則可以直接實(shí)現(xiàn)PAM4信號(hào)的時(shí)鐘恢復(fù)以及預(yù)加重等處理，免去了先將PAM4信號(hào)轉(zhuǎn)化成2倍波特率的NRZ信號(hào)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(jì)成本。得益于PAM4帶來(lái)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(gè)最重要的目標(biāo)就是對(duì)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(shí)的應(yīng)用。這些對(duì)終端用戶的體驗(yàn)改變可能只是看得更清楚或者手機(jī)里多了幾個(gè)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(jí)。

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(huì)比4G提升15至25倍，從網(wǎng)絡(luò)的承載容量上來(lái)看，預(yù)計(jì)也將會(huì)有2至3個(gè)數(shù)量級(jí)的提升。

然而，信號(hào)傳輸時(shí)必然伴隨著能量損耗的問(wèn)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(huì)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(gè)池子灌滿水，如果一邊灌一邊漏，那么很多工作便成了無(wú)用功。

前面提到，由于PAM4信號(hào)每個(gè)符號(hào)周期可以傳輸2bit的信息，因此要實(shí)現(xiàn)同樣的信號(hào)傳輸能力，PAM4信號(hào)的符號(hào)速率只需要達(dá)到NRZ信號(hào)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(huì)將2×25G NRZ信號(hào)轉(zhuǎn)換為1×25GBaud PAM4信號(hào)，然后由激光器驅(qū)動(dòng)芯片將PAM4信號(hào)放大，驅(qū)動(dòng)25G激光器將電信號(hào)轉(zhuǎn)換為單波長(zhǎng)25GBaud(50Gbps)光信號(hào)。其次在接收方向，探測(cè)器將上面的光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，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(hào)轉(zhuǎn)換為2×25GNRZ信號(hào)。

如此一來(lái)，由傳輸通道造成的損耗將會(huì)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(duì)于運(yùn)營(yíng)商們來(lái)說(shuō)也是一座需要翻過(guò)的大山。單從基站的數(shù)量上看，由于5G信號(hào)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(jì)將達(dá)到4至5倍，而且每個(gè)基站的功耗更高，組網(wǎng)也需要的更多的光纖。然而運(yùn)營(yíng)商無(wú)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(gè)環(huán)節(jié)中去省出來(lái)。

PAM4在帶寬利用率上的提升所帶來(lái)的光模塊成本降低，也是5G實(shí)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(dòng)承載網(wǎng)設(shè)備的成本構(gòu)成中占比越來(lái)越大，部分設(shè)備中甚至超過(guò)50-70%。據(jù)分析機(jī)構(gòu)Yole的調(diào)研，2019年至2025年，來(lái)自數(shù)通市場(chǎng)的光模塊需求，將實(shí)現(xiàn)約20%的年復(fù)合增長(zhǎng)率;在電信市場(chǎng)將實(shí)現(xiàn)約5%的復(fù)合年增長(zhǎng)率。

隨著5G技術(shù)的不斷發(fā)展和人們對(duì)于網(wǎng)絡(luò)需求的進(jìn)一步提升，未來(lái)也不排除采用更多電平的PAM6或PAM8進(jìn)行信號(hào)傳輸。5G這曲“交響樂(lè)”，除了要有站在臺(tái)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(wú)線接入中的每位“樂(lè)手”分毫不差地配合，才能將這首曲子演奏地精彩漂亮。

文末互動(dòng)

5G從出現(xiàn)到逐漸普及，實(shí)際生活中每個(gè)人或多或少都會(huì)感受到5G所到來(lái)的影響。未來(lái)，你覺(jué)得5G或者6G會(huì)對(duì)我們的生活帶來(lái)哪些影響?歡迎在文末留言互動(dòng)。留言點(diǎn)贊第一名獲得50元京東卡，第二名獲得20元京東卡。

原文標(biāo)題：奏響5G交響樂(lè)，誰(shuí)是指揮家?

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審核編輯：湯梓紅