pSim Plus光電融合仿真案例：光纖中PAM4信號傳輸

逍遙設(shè)計自動化

引言脈沖幅度調(diào)制4級（PAM4）是光纖通信領(lǐng)域備受關(guān)注的先進信號調(diào)制技術(shù)。本文將探討PAM4的原理、優(yōu)勢及其在光纖系統(tǒng)中的實施方法。通過 pSim Plus 光電系統(tǒng)級仿真工具完成案例。
3 ^  B' M9 u  Y; _) w. kPAM4簡介
PAM4是高效的信號調(diào)制技術(shù)，使用四個電壓級別來表示數(shù)字信息。與僅使用兩個級別的傳統(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，每個符號代表兩個比特的組合。四種可能的狀態(tài)通常表示為：

00

01

10

11
這些狀態(tài)對應(yīng)四個不同的電壓級別，例如+3V、+1V、-1V和-3V。

圖1：展示了PAM4調(diào)制方法，顯示了四個電壓級別及其對應(yīng)的比特組合。
PAM4的優(yōu)勢

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)。這是因為PAM4中每個符號傳遞兩個比特的信息，而NRZ只傳遞一個比特。

與現(xiàn)有基礎(chǔ)設(shè)施兼容：PAM4的一個顯著優(yōu)勢是能在現(xiàn)有光纖基礎(chǔ)設(shè)施上運行。這種兼容性意味著網(wǎng)絡(luò)運營商可以實施PAM4而無需對系統(tǒng)進行大規(guī)模升級，使其成為提高數(shù)據(jù)傳輸速率的經(jīng)濟有效解決方案。

改善信噪比：由于多級特性，PAM4與二進制調(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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: R( l$ ?& D  {' }5 k- G0 E光纖系統(tǒng)中的PAM4
) R+ @. x, ?/ [3 f5 A9 u0 b4 A為了理解PAM4在光纖系統(tǒng)中的實施方法，讓我們來檢視用于測試和分析PAM4信號傳輸性能的典型線路設(shè)置。
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圖2：展示了光纖系統(tǒng)中PAM4信號生成、處理和分析的線路原理。
" R/ l% b' V9 l- d. Y該線路可分為三個主要階段：

信號生成

信號處理

信號分析
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6 R0 Y+ N3 `8 c, s1 ^- l信號生成
信號生成階段包含三個關(guān)鍵組件：

PAM4信號源：提供PAM4調(diào)制信號作為系統(tǒng)輸入。

CW激光器：生成穩(wěn)定光信號的連續(xù)波激光器。

光幅度調(diào)制器：該設(shè)備用PAM4信號調(diào)制CW激光器的光信號，創(chuàng)建PAM4調(diào)制的光載波。

信號處理
PAM4信號生成并調(diào)制到光載波上后，將經(jīng)過幾個處理步驟：
' |1 @% V. r: r: s' f

光纖傳輸：調(diào)制的光信號通過光纖傳輸。

光電探測器：在接收端，光電探測器將光信號轉(zhuǎn)換回電信號。

LP貝塞爾濾波器：該低通濾波器去除電信號中的高頻噪聲。

采樣器：可讀取.py文件用于分析和處理PAM4信號的可編程模塊。
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2 j. O: N& |5 Q" c1 |3 L& p信號分析
最后階段涉及分析處理后的PAM4信號：

空源：提供參考信號，作為比特錯誤率（BER）測量的基線。

MLBER（多級比特錯誤率）：該組件分析經(jīng)采樣器濾波和調(diào)制后的PAM4信號的BER。

眼圖：用于分析濾波后信號質(zhì)量的可視化工具。

示波器：允許觀察系統(tǒng)各點的信號波形。
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PAM4信號可視化
為更好地理解光纖系統(tǒng)中PAM4信號的特征，讓我們來檢查一些示波器軌跡和眼圖。
6 @/ u5 M( d. n  ?- |
1 ~5 k$ d  J5 E/ e0 t3 Z; K$ }
  ~" a3 T% h3 j6 {, ~( [* u4 [圖3：顯示了示波器軌跡OSC1_TE和OSC2，展示了系統(tǒng)不同點的PAM4信號特征。

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7 a1 q3 {: b% M0 `2 w圖4：此圖呈現(xiàn)了示波器軌跡OSC3和OSC4，進一步說明了PAM4信號行為。
這些示波器軌跡為PAM4信號在光纖系統(tǒng)中傳播時的行為提供了有價值的見解。工程師可以通過這些軌跡評估信號質(zhì)量，識別潛在問題，并優(yōu)化系統(tǒng)性能。
1 w4 Q% o0 ]* c3 e% c7 o分析PAM4信號的最重要工具之一是眼圖。眼圖通過疊加數(shù)字信號的多個比特來創(chuàng)建，產(chǎn)生信號行為的綜合視圖。
* X+ V3 U2 o& p$ ]7 \3 N
圖5：此圖顯示了PAM4信號的眼圖（OSC5），以及符號錯誤率（SER）測量結(jié)果。
) e! d. @* Q7 H- q2 L- |, A% L. t' |# R7 S在眼圖中，我們可以觀察到由PAM4信號的四個電壓級別形成的三個明顯的"眼睛"。這些眼睛的開放度和清晰度提供了關(guān)于信號質(zhì)量的重要信息：

每個眼睛的垂直開口表示信號的噪聲裕度。

水平開口表示可以在不產(chǎn)生符號間干擾的情況下采樣信號的時間。
+ j& \2 s6 m4 f" |6 B1 j隨附的符號錯誤率（SER）測量結(jié)果為3.0688240674379514e-17，表示極低的錯誤率，說明信號質(zhì)量和系統(tǒng)性能優(yōu)異。
結(jié)論
PAM4調(diào)制代表了光纖通信技術(shù)的進步。與NRZ相比，PAM4在相同帶寬內(nèi)可傳輸雙倍數(shù)據(jù)，為滿足不斷增長的高數(shù)據(jù)速率需求提供了經(jīng)濟有效的解決方案。
理解PAM4信號生成、處理和分析的原理對于光通信領(lǐng)域的工程師來說非常重要。使用本文描述的線路設(shè)置等專用測試和測量設(shè)備，可以通過 pSim Plus 仿真工具對PAM4系統(tǒng)進行詳細(xì)表征和優(yōu)化。
隨著數(shù)據(jù)流量持續(xù)呈指數(shù)級增長，PAM4等技術(shù)在實現(xiàn)高速、大容量光纖網(wǎng)絡(luò)方面將發(fā)揮越來越重要的作用。通過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)，為未來更快、更高效的數(shù)據(jù)傳輸?shù)於ɑ�礎(chǔ)。

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