通信應用筆記：PAM4信號優(yōu)化和O波段光纖放大

原創(chuàng)UFO Thorlabs索雷博

PAM4發(fā)射信號優(yōu)化

PAM4是4電平脈沖振幅調(diào)制的縮寫。

PAM4 = Pulse Amplitude Modulation, 4 Levels

在典型的數(shù)字信號中，信息以一系列的0和1傳輸。對于光學系統(tǒng)，這意味著光要么開啟要么關(guān)閉。但不同于開關(guān)信號的是，PAM4有四個不同的電平。

使用PAM4能夠在相同時間內(nèi)傳輸兩倍的信息量，但它要求所有元件都是線性的。換言之，使用相同的3 dB系統(tǒng)帶寬能夠傳輸兩倍的信息量。從下圖可以看出，傳輸相同的0010011011信息，PAM4用時為NRZ的一半。不過，為了優(yōu)化PAM4系統(tǒng)響應，我們需要考慮每 yi 級 的線性度以及其它參數(shù)。

(a) 開關(guān)鍵控(NRZ)信號，2電平

(b) PAM4信號，4電平

下面是一個回環(huán)系統(tǒng)的示例圖。PAM4電信號由碼型發(fā)生器或任意波形發(fā)生器(AWG)產(chǎn)生，隨后通過線性參考發(fā)射機轉(zhuǎn)變成光信號。接收機 zui 后 將光信號轉(zhuǎn)回電信號，并通過采樣示波器測量。

重要概念

線性度：NRZ vs. PAM4

標準的開關(guān)鍵控也稱不歸零(NRZ)，需要清晰地識別開或關(guān)。它的一種實現(xiàn)方法是通過高增益組件使所有信號變成1或0。對于PAM4信號，所有元件都需要保留中間振幅，使系統(tǒng)輸出具有四種不同的電平。

數(shù)據(jù)率：Bit vs. Baud

在描述PAM4信號時，比特率和波特率是兩個不同的概念。比特率表示一個時間周期內(nèi)傳輸?shù)目傂畔⒘?，而波特率表示傳輸?shù)姆枖?shù)量。

● 對于NRZ系統(tǒng)，每個符號就是1或0，因此包含一個比特。比如，一臺40 Gbit發(fā)射機可實現(xiàn)40 Gbit數(shù)據(jù)率。

● 對于PAM4系統(tǒng)，每個符號包含兩個比特，并具有四個不同的值：00、01、10或11。比如，一臺56 Gbaud發(fā)射機可實現(xiàn)112 Gbit數(shù)據(jù)率。

40 Gb/s數(shù)字發(fā)射機                            65 GHz線性發(fā)射機

眼圖用于評估信號質(zhì)量：

● 振幅噪聲 – 在縱軸上

● 時間抖動 – 在橫軸上

● 線性度 – 看振幅電平的縱向間距

● 帶寬 – 看不同電平之間的上升和下降時間

2電平眼圖                                4電平眼圖

發(fā)射機的偏置

Thorlabs MX系列參考發(fā)射機使用對電壓呈正弦響應的馬赫-曾德爾調(diào)制器。盡管信號的振幅和間隔保持恒定，但相位會隨時間和溫度偏移，因此要使用閉環(huán)反饋系統(tǒng)確保 zui 佳 的長期性能。

抖動方法能夠有效地識別 zui 佳 偏置點并維持在那個點上工作。不過對于PAM4信號，光振幅抖動將導致眼圖中產(chǎn)生明顯的噪聲。幸好的是，MX系列發(fā)射機還能以Constant Ratio模式工作，以此在閉環(huán)配置中維持偏置，并且不在信號中引入噪聲。

調(diào)制器傳遞函數(shù)

調(diào)制器傳遞函數(shù)是正弦的，因此響應是非線性的。

調(diào)制器傳遞函數(shù)

電壓

為了使PAM4光信號具有高消光比和相同間隔的電平，一種簡單的方法是調(diào)節(jié)眼內(nèi)和眼外的相對振幅。這種調(diào)節(jié)發(fā)生在碼型發(fā)生器中。如下圖所示，改變輸入電壓碼型(減小眼內(nèi)振幅)產(chǎn)生了間隔相同的光輸出電平，說明是干凈的PAM4信號。另外，很多碼型發(fā)生器和任意波形發(fā)生器還提供一些更 gao 級 的方法，用于優(yōu)化PAM4眼圖中不同電平的間距。

調(diào)制深度和線性度

因為調(diào)制器的傳遞函數(shù)是正弦而非線性的，所以調(diào)制深度和線性度會互相制約。輸入擺幅越高，調(diào)制深度越大，但非線性度也會增加，或者說總諧波失真(THD)增加。這是一般信號類型都有的問題而不是特指PAM4信號。下圖展示了MX65E線性參考發(fā)射機中的這種關(guān)系。

MX65E調(diào)制深度和THD隨輸入擺幅的變化

輸入擺幅(mVpp)

為了使發(fā)射機正常工作，需要為調(diào)制器施加正確的信號電平。

● 如果線性度為決定因素，比如正弦掃頻分析，此類應用需要較小的振幅，所以調(diào)制器具有高線性度。我們的MX40G和MX70G已校準電光轉(zhuǎn)換機沒有RF放大器，使信號保持在線性范圍內(nèi)。

● 如果調(diào)制深度為決定因素，這時可使用高增益限幅RF放大器，使信號電平剛好等于調(diào)制器的半波電壓。我們的MX10B和MX40B數(shù)字參考發(fā)射機使用限幅放大器，主要針對NRZ應用。

● 如果調(diào)制深度和線性度都很關(guān)鍵，bi 須 使用線性RF放大器。線性放大器通常具有中到低的可調(diào)增益，用于將碼型發(fā)生器輸出的信號電平放大到半波電壓的 yi 定 百分比。配合信號的預調(diào)節(jié)還可 xiao 除 因為大信號產(chǎn)生的非線性。我們的MX35E和MX35D發(fā)射機使用可調(diào)增益的RF放大器，不僅能接收更寬的輸入信號振幅，而且維持 zui 佳 的輸出信號振幅。

不同類型放大器的輸入/輸出電壓

頻率響應：損耗和補償

對于PAM4信號，四個電平不僅要維持相同間隔，而且頻率響應(光波形在不同電平之間的移動)也很重要。只有保證足夠高的帶寬，電平轉(zhuǎn)換才能在極短時間(一個符號長度的一小部分)內(nèi)完成，否則眼圖就會閉合。對于高波特率，信號路徑中的很多元件都會降低帶寬，因此 bi 須 維持整個系統(tǒng)中的帶寬，并在可能時補償高頻損耗。

電纜損耗是高速系統(tǒng)要考慮的問題。比如在40 GHz系統(tǒng)中，1尺長的低損耗電纜也將引入1.5 dB損耗。為了維持高頻信號的保真度，應使用盡量短的電纜。

?O波段光纖放大器

PDFA100摻鐠光纖放大器可用于O波段中的CWMD信道。它以Thorlabs氟化物光纖為核心組件，確保光信號的無失真放大，不管什么調(diào)制格式、數(shù)據(jù)傳輸率或功率水平。

- PDFA工作原理圖 -

▎PDFA摻鐠光纖放大器

Thorlabs提供臺式設備和OEM模塊兩種不同的摻鐠光纖放大器；注意兩圖比例不同，就 zui 長 邊而言，前者深度為30 cm，后者高度約16 cm。PDFA主要規(guī)格如下：

● 工作波長：1280-1330 nm

● 小信號增益：>20 dB

● 輸出功率：>16 dBm

● 噪聲系數(shù)：<8 dB

PDFA100提供高增益和低噪聲性能，可直接放大低至-30 dBm的光信號。通過將信號放大到數(shù)字通信分析儀(DCA)的電噪聲本底之上，這樣能顯著 gai 善 LR4/LR8、100GE、200GE和400GE等接口的測試。下面是一個簡化的收發(fā)測試裝置，可用于PAM4系統(tǒng)中的發(fā)射機色散眼圖閉合四相(TDECQ)等標準測量。在分析信號之前，PDFA補償了光學系統(tǒng)的損耗。

PDFA vs. OSA

由于高飽和功率(>16 dBm)和較慢的毫秒級增益，PDFA能 xiao 除 由于飽和導致的信號失真。典型的半導體光放大器(SOA)提供約10 dBm飽和功率和皮秒級高速增益，因此其輸入功率要經(jīng)過衰減才能避免飽和效應和光信號失真。

PDFA則不受碼型影響，因此無需控制它的輸入功率并且能用作前置或助推(Booster)放大器。在信號收發(fā)測試和測量應用中，PDFA能夠?qū)崿F(xiàn)多個光接收機或多個平行信道的過載測試。

下面兩個眼圖分別使用PDFA100和某種商用SOA放大50 GBaud/s PAM4信號測量。對比兩圖更能體現(xiàn)出兩者的性能差距：PDFA產(chǎn)生了失真極小的眼圖，而SOA則因為飽和使眼圖出現(xiàn)了明顯的失真。兩個眼圖都是使用Thorlabs MX65E-1310線性參考發(fā)射機和RXM40AF超快接收機測量的。

PDFA的眼圖                                  某商用SOA的眼圖

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