摘 要

本文讲述了光纤通信中PAM4信号的概念、其国内外研究现状、相关技术发展、传输实现、误码测试以及与NRZ的对比。传统的NRZ技术是采用高低两种电平来表示传输的信息，而PAM4则是通过四个不同的电平来传输信号的。在高速数据通信中，PAM4比NRZ传输能力强、损耗少。

设计部分借助OptiSystem软件对PAM4信号传输系统进行了仿真，并对PAM4的信号误码进行了测试。传输系统包括：发送端、信道和接收端。其中，发送端需要PAM4的码型发生器产生PAM4信号、光源以及调制器结合实现电光转换；传输信道采用单模光纤；接收端则包括检测器、滤波器、PAM4判决器以及PAM4解码器等。信号误码测试是在接收端进行的，需要将接收端所收到的信号与发送端发送的信号进行对比，从而计算得出误码结果。在不断修改组件参数，对比测试结果中，也找出了影响PAM4误码结果的一些因素。所得结果对未来高速数据通信实现有一定建设性意义。

仿真结果表明：传输信号序列本身、传输速率、光纤损耗、采样信号比特长度等都会影响误码测试结果。

本文的特色在于：OptiSystem13中的PAM4判决器组件本身包含有误码测试功能，可以降低线路复杂程度。误码测试装置具有收发功能，发送比特信号，接收解码信号，并计算BER。

关键词：PAM4；OptiSystem；误码测试；光纤通信系统

Abstract

This paper describes the concept of PAM4 signal in optical fiber communication, the research status at home and abroad, the development of its relevant technology, transmission implementation, error detection and comparison with NRZ. Traditional NRZ technology uses high and low two levels to represent the transmitted information, while PAM4 uses four different levels to transmit the signal. In high-speed data communication, PAM4 has stronger transmission capacity and less loss than NRZ.

In the design part, PAM4 signal transmission system is simulated with OptiSystem software, and the signal error codes of PAM4 are tested. Transmission systems include:  transmitter, channel and receiver. The transmitter requires PAM4 code generator to produce PAM4 signal, light source and modulator to realize electro-optical conversion. Single mode fiber is used in transmission channel. The receiver includes detector, filter, PAM4 judge, and PAM4 decoder. The signal error test is carried out at the receiving end, and the signal received by the receiving end needs to be compared with the signal sent by the sending end, so as to calculate the error result. Some factors influencing PAM4 error codes are also found in the continuous modification of component parameters and comparison of test results. The results are constructive for the future high-speed data communication.

The simulation results show that the transmission signal sequence itself, transmission rate, optical fiber loss and sampling signal bit length and so on will affect the error code test results.

The feature of this article is that the PAM4 decision component in OptiSystem13 contains error test function, which can reduce the complexity of the circuit. The BER Test Set has the function of sending and receiving, sending bit signals, receiving decoded signals, and calculating BER.

Key words: PAM4; OptiSystem; BER Test; optical fiber communication system

目录

第1章 绪论 1

1.1 背景及意义 1

1.2 国内外研究现状 3

第2章 方案设计需求分析 6

2.1 功能需求 6

2.1.1 发送功能 6

2.1.2 传输功能 7

2.1.3 接收功能 7

2.1.4 误码测试功能 8

2.2 技术难点 8

第3章 PAM4相关原理 10

3.1 PAM4信号产生 10

3.2 PAM4信号测试说明 12

3.3 PAM4调制解调 13

第4章 PAM4信号误码测试方案设计 15

4.1 PAM4的信号误码测试总体方案 15

4.2 PAM4光收发模块 16

4.2.1 200G/400G以太网标准 16

4.2.2 PAM4实现400G以太网传输方案 18

4.3 元件误码测试实现 20

4.3.1 误码测试仪 20

4.3.2 误码分析仪 20

4.3.3 PAM判决器 22

第5章 PAM4的信号误码测试仿真 23

5.1 OptiSystem简介 23

5.2 系统设计仿真 23

5.3 结果演示 27

5.3.1 输入输出测试 27

5.3.2 误码测试结果 31

第6章 总结与展望 34

参考文献 35

第1章 绪论

本章将说明PAM4技术的背景，并阐明进行PAM4的信号误码测试的意义，以及国内外的研究现状说明。

1.1 背景及意义

以往数字信号传输实现中几乎都采用的非归零码NRZ，它是目前实现最容易、使用最多的一种非归零信号传输方法。NRZ技术分别用高、低信号电平表示通信传输系统中对应的1、0两种数字逻辑信号，所以传输中单个符号只能传送一个比特逻辑信息。在低速传输中，普遍采用NRZ传输方式，乃至目前已经得以商用的100G使用的也是NRZ。但是现在100G的传输设备承载着大部分的网络流量，很显然已经进入了一个完全成熟的阶段。虽然100G所允许的容量已经相当大了，但是随着大数据与云计算的出现，100G已不能完全满足越来越多用户对流量需求的不断增长。当每个通道对应的通信速率达到56Gbps时，信道对高带宽信号损耗极大，所以业界不得不选择新的调制方式来代替传统的NRZ。这种全新的调制方式需要能够满足人们对于高速通信的需求。

要想进一步提高网络吞吐率，理论上有以下几种实现方法：