pSim Plus光電融合仿真案例：光纖中PAM4信號(hào)傳輸

逍遙設(shè)計(jì)自動(dòng)化

引言脈沖幅度調(diào)制4級(jí)（PAM4）是光纖通信領(lǐng)域備受關(guān)注的先進(jìn)信號(hào)調(diào)制技術(shù)。本文將探討PAM4的原理、優(yōu)勢(shì)及其在光纖系統(tǒng)中的實(shí)施方法。通過(guò) pSim Plus 光電系統(tǒng)級(jí)仿真工具完成案例。
PAM4簡(jiǎn)介
PAM4是高效的信號(hào)調(diào)制技術(shù)，使用四個(gè)電壓級(jí)別來(lái)表示數(shù)字信息。與僅使用兩個(gè)級(jí)別的傳統(tǒng)非歸零（NRZ）調(diào)制相比，PAM4能在相同的頻譜帶寬內(nèi)傳輸更多數(shù)據(jù)。
在PAM4系統(tǒng)中，每個(gè)符號(hào)代表兩個(gè)比特的組合。四種可能的狀態(tài)通常表示為：

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01

10

11
# t' j3 S9 m1 M8 Y) s6 e$ F; h' c這些狀態(tài)對(duì)應(yīng)四個(gè)不同的電壓級(jí)別，例如+3V、+1V、-1V和-3V。

9 Z$ W/ M( Z) d% |* v; l圖1：展示了PAM4調(diào)制方法，顯示了四個(gè)電壓級(jí)別及其對(duì)應(yīng)的比特組合。
PAM4的優(yōu)勢(shì)

效率提升：PAM4可在相同的頻譜帶寬內(nèi)傳輸比NRZ多一倍的數(shù)據(jù)。這是因?yàn)镻AM4中每個(gè)符號(hào)傳遞兩個(gè)比特的信息，而NRZ只傳遞一個(gè)比特。

與現(xiàn)有基礎(chǔ)設(shè)施兼容：PAM4的一個(gè)顯著優(yōu)勢(shì)是能在現(xiàn)有光纖基礎(chǔ)設(shè)施上運(yùn)行。這種兼容性意味著網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)商可以實(shí)施PAM4而無(wú)需對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行大規(guī)模升級(jí)，使其成為提高數(shù)據(jù)傳輸速率的經(jīng)濟(jì)有效解決方案。

改善信噪比：由于多級(jí)特性，PAM4與二進(jìn)制調(diào)制方案相比能獲得更好的信噪比，從而提高整體系統(tǒng)性能。
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光纖系統(tǒng)中的PAM4
) N1 I% s* R; b$ S: m0 }5 O7 Z為了理解PAM4在光纖系統(tǒng)中的實(shí)施方法，讓我們來(lái)檢視用于測(cè)試和分析PAM4信號(hào)傳輸性能的典型線路設(shè)置。
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6 H1 L2 M& @8 d; j# H# v圖2：展示了光纖系統(tǒng)中PAM4信號(hào)生成、處理和分析的線路原理。
9 \: x  E8 R  q( f0 Q# T: ]7 @- s該線路可分為三個(gè)主要階段：

信號(hào)生成

信號(hào)處理

信號(hào)分析
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2 H6 B2 B6 G6 j+ \: ]信號(hào)生成
信號(hào)生成階段包含三個(gè)關(guān)鍵組件：
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PAM4信號(hào)源：提供PAM4調(diào)制信號(hào)作為系統(tǒng)輸入。

CW激光器：生成穩(wěn)定光信號(hào)的連續(xù)波激光器。

光幅度調(diào)制器：該設(shè)備用PAM4信號(hào)調(diào)制CW激光器的光信號(hào)，創(chuàng)建PAM4調(diào)制的光載波。
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信號(hào)處理
4 b" n* `, v# i/ p. `" ~% G( pPAM4信號(hào)生成并調(diào)制到光載波上后，將經(jīng)過(guò)幾個(gè)處理步驟：
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光纖傳輸：調(diào)制的光信號(hào)通過(guò)光纖傳輸。

光電探測(cè)器：在接收端，光電探測(cè)器將光信號(hào)轉(zhuǎn)換回電信號(hào)。

LP貝塞爾濾波器：該低通濾波器去除電信號(hào)中的高頻噪聲。

采樣器：可讀取.py文件用于分析和處理PAM4信號(hào)的可編程模塊。

信號(hào)分析
最后階段涉及分析處理后的PAM4信號(hào)：
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空源：提供參考信號(hào)，作為比特錯(cuò)誤率（BER）測(cè)量的基線。

MLBER（多級(jí)比特錯(cuò)誤率）：該組件分析經(jīng)采樣器濾波和調(diào)制后的PAM4信號(hào)的BER。

眼圖：用于分析濾波后信號(hào)質(zhì)量的可視化工具。

示波器：允許觀察系統(tǒng)各點(diǎn)的信號(hào)波形。

PAM4信號(hào)可視化
為更好地理解光纖系統(tǒng)中PAM4信號(hào)的特征，讓我們來(lái)檢查一些示波器軌跡和眼圖。


圖3：顯示了示波器軌跡OSC1_TE和OSC2，展示了系統(tǒng)不同點(diǎn)的PAM4信號(hào)特征。

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圖4：此圖呈現(xiàn)了示波器軌跡OSC3和OSC4，進(jìn)一步說(shuō)明了PAM4信號(hào)行為。
這些示波器軌跡為PAM4信號(hào)在光纖系統(tǒng)中傳播時(shí)的行為提供了有價(jià)值的見(jiàn)解。工程師可以通過(guò)這些軌跡評(píng)估信號(hào)質(zhì)量，識(shí)別潛在問(wèn)題，并優(yōu)化系統(tǒng)性能。
; N/ }9 N5 o! e' ~分析PAM4信號(hào)的最重要工具之一是眼圖。眼圖通過(guò)疊加數(shù)字信號(hào)的多個(gè)比特來(lái)創(chuàng)建，產(chǎn)生信號(hào)行為的綜合視圖。
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圖5：此圖顯示了PAM4信號(hào)的眼圖（OSC5），以及符號(hào)錯(cuò)誤率（SER）測(cè)量結(jié)果。
8 C+ k2 e2 y- y6 |6 @在眼圖中，我們可以觀察到由PAM4信號(hào)的四個(gè)電壓級(jí)別形成的三個(gè)明顯的"眼睛"。這些眼睛的開(kāi)放度和清晰度提供了關(guān)于信號(hào)質(zhì)量的重要信息：

每個(gè)眼睛的垂直開(kāi)口表示信號(hào)的噪聲裕度。

水平開(kāi)口表示可以在不產(chǎn)生符號(hào)間干擾的情況下采樣信號(hào)的時(shí)間。
隨附的符號(hào)錯(cuò)誤率（SER）測(cè)量結(jié)果為3.0688240674379514e-17，表示極低的錯(cuò)誤率，說(shuō)明信號(hào)質(zhì)量和系統(tǒng)性能優(yōu)異。
結(jié)論
. T. p8 s$ T' tPAM4調(diào)制代表了光纖通信技術(shù)的進(jìn)步。與NRZ相比，PAM4在相同帶寬內(nèi)可傳輸雙倍數(shù)據(jù)，為滿(mǎn)足不斷增長(zhǎng)的高數(shù)據(jù)速率需求提供了經(jīng)濟(jì)有效的解決方案。
理解PAM4信號(hào)生成、處理和分析的原理對(duì)于光通信領(lǐng)域的工程師來(lái)說(shuō)非常重要。使用本文描述的線路設(shè)置等專(zhuān)用測(cè)試和測(cè)量設(shè)備，可以通過(guò) pSim Plus 仿真工具對(duì)PAM4系統(tǒng)進(jìn)行詳細(xì)表征和優(yōu)化。
隨著數(shù)據(jù)流量持續(xù)呈指數(shù)級(jí)增長(zhǎng)，PAM4等技術(shù)在實(shí)現(xiàn)高速、大容量光纖網(wǎng)絡(luò)方面將發(fā)揮越來(lái)越重要的作用。通過(guò)掌握本文介紹的概念和技術(shù)，工程師和研究人員可以為光通信系統(tǒng)的持續(xù)發(fā)展做出貢獻(xiàn)，為未來(lái)更快、更高效的數(shù)據(jù)傳輸?shù)於ɑ�礎(chǔ)。
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