pSim Plus光电融合仿真案例：光纤中PAM4信号传输

逍遥设计自动化

引言脉冲幅度调制4级（PAM4）是光纤通信领域备受关注的先进信号调制技术。本文将探讨PAM4的原理、优势及其在光纤系统中的实施方法。通过 pSim Plus 光电系统级仿真工具完成案例。
! J. X" z% w' ^; B. B3 sPAM4简介
2 U" y( N9 o# l* L: j# RPAM4是高效的信号调制技术，使用四个电压级别来表示数字信息。与仅使用两个级别的传统非归零（NRZ）调制相比，PAM4能在相同的频谱带宽内传输更多数据。
7 S5 l) F& ~) b& c4 q& J) w在PAM4系统中，每个符号代表两个比特的组合。四种可能的状态通常表示为：

00

01

10

11
0 e3 b, k# {& e$ J0 k这些状态对应四个不同的电压级别，例如+3V、+1V、-1V和-3V。
5 A- s8 {4 E7 U3 u# Y* w" k: d- ]5 O

wiaotimdnwd64027033329.png

图1：展示了PAM4调制方法，显示了四个电压级别及其对应的比特组合。
PAM4的优势

效率提升：PAM4可在相同的频谱带宽内传输比NRZ多一倍的数据。这是因为PAM4中每个符号传递两个比特的信息，而NRZ只传递一个比特。

与现有基础设施兼容：PAM4的一个显着优势是能在现有光纤基础设施上运行。这种兼容性意味着网络运营商可以实施PAM4而无需对系统进行大规模升级，使其成为提高数据传输速率的经济有效解决方案。

改善信噪比：由于多级特性，PAM4与二进制调制方案相比能获得更好的信噪比，从而提高整体系统性能。
[/ol]
! Z- a1 F+ x8 {& K2 I0 S  f% E: h光纤系统中的PAM4
为了理解PAM4在光纤系统中的实施方法，让我们来检视用于测试和分析PAM4信号传输性能的典型线路设置。
. \) i; X2 F: k9 [6 E1 q3 i* \+ V
8 a) m1 j* S& x( ^8 A* I) ?3 z' B9 ~

h2vzsrlg5m064027033430.png

图2：展示了光纤系统中PAM4信号生成、处理和分析的线路原理。
该线路可分为三个主要阶段：

信号生成

信号处理

信号分析
[/ol]
信号生成
信号生成阶段包含三个关键组件：
7 y6 V) A' r1 h! ]5 J6 @

PAM4信号源：提供PAM4调制信号作为系统输入。

CW激光器：生成稳定光信号的连续波激光器。

光幅度调制器：该设备用PAM4信号调制CW激光器的光信号，创建PAM4调制的光载波。

) K; C. S# Z( F# q$ C2 ]; S信号处理
PAM4信号生成并调制到光载波上后，将经过几个处理步骤：

光纤传输：调制的光信号通过光纤传输。

光电探测器：在接收端，光电探测器将光信号转换回电信号。

LP贝塞尔滤波器：该低通滤波器去除电信号中的高频噪声。

采样器：可读取.py文件用于分析和处理PAM4信号的可编程模块。

9 |' U# s& O4 \; p9 x8 o信号分析
" i% x, O, e1 r- T最后阶段涉及分析处理后的PAM4信号：
2 v. s! C0 J  i5 A( }9 a

空源：提供参考信号，作为比特错误率（BER）测量的基线。

MLBER（多级比特错误率）：该组件分析经采样器滤波和调制后的PAM4信号的BER。

眼图：用于分析滤波后信号质量的可视化工具。

示波器：允许观察系统各点的信号波形。
$ l; _# \1 I! W/ Y, W' M! @8 B3 O
PAM4信号可视化
为更好地理解光纤系统中PAM4信号的特征，让我们来检查一些示波器轨迹和眼图。
/ A6 |+ ^) L( F& s' y+ c' V# E3 ~, D* X
, M) A: O. f9 Q* ]( W

3we3zvtomik64027033530.png

图3：显示了示波器轨迹OSC1_TE和OSC2，展示了系统不同点的PAM4信号特征。

" `/ x2 _* }! u9 |9 t

3gnojaxzae164027033630.png

图4：此图呈现了示波器轨迹OSC3和OSC4，进一步说明了PAM4信号行为。
这些示波器轨迹为PAM4信号在光纤系统中传播时的行为提供了有价值的见解。工程师可以通过这些轨迹评估信号质量，识别潜在问题，并优化系统性能。
分析PAM4信号的最重要工具之一是眼图。眼图通过叠加数字信号的多个比特来创建，产生信号行为的综合视图。
& N+ x3 L; H! G7 ~( D  B

rfjdrmi3zi464027033730.png

图5：此图显示了PAM4信号的眼图（OSC5），以及符号错误率（SER）测量结果。
在眼图中，我们可以观察到由PAM4信号的四个电压级别形成的三个明显的"眼睛"。这些眼睛的开放度和清晰度提供了关于信号质量的重要信息：

每个眼睛的垂直开口表示信号的噪声裕度。

水平开口表示可以在不产生符号间干扰的情况下采样信号的时间。
随附的符号错误率（SER）测量结果为3.0688240674379514e-17，表示极低的错误率，说明信号质量和系统性能优异。
! k1 T7 v0 w- }; ]$ U& q结论
6 N, w% L  d% n) A1 q$ Z4 Z3 GPAM4调制代表了光纤通信技术的进步。与NRZ相比，PAM4在相同带宽内可传输双倍数据，为满足不断增长的高数据速率需求提供了经济有效的解决方案。
理解PAM4信号生成、处理和分析的原理对于光通信领域的工程师来说非常重要。使用本文描述的线路设置等专用测试和测量设备，可以通过 pSim Plus 仿真工具对PAM4系统进行详细表征和优化。
随着数据流量持续呈指数级增长，PAM4等技术在实现高速、大容量光纤网络方面将发挥越来越重要的作用。通过掌握本文介绍的概念和技术，工程师和研究人员可以为光通信系统的持续发展做出贡献，为未来更快、更高效的数据传输奠定基础。
0 Q- u9 K1 }0 m2 z
- END -
+ z# f. K3 e  h
4 P" i5 q; m  `1 B; g软件申请我们欢迎化合物/硅基光电子芯片的研究人员和工程师申请体验免费版PIC Studio软件。无论是研究还是商业应用，PIC Studio都可提升您的工作效能。
8 J, o& Q, h! h1 D点击左下角"阅读原文"马上申请
# J* W/ U; l- X0 q6 z7 N6 l) j8 m: W
欢迎转载

7 s: Q. n6 D+ H' T5 M# o6 Q* f, s7 d+ N转载请注明出处，请勿修改内容和删除作者信息！
4 E9 U8 b" F6 l3 O0 O/ O

kujhcdw1v0x64027033830.gif

关注我们

; b! ^9 u7 }2 v6 E$ T; ^4 R

/ w+ J& v+ q8 ~; [* Y9 y3 W ta1k1ezya5i64027033930.png - _7 ]9 z5 M( O2 d: m

mzzmpexsqmu64027034030.png

9 t; B$ I. T2 Y& u* U: \ 02iwyhm51w364027034130.png

                     


  S/ }7 g" A$ \
关于我们：
深圳逍遥科技有限公司（Latitude Design Automation Inc.）是一家专注于半导体芯片设计自动化（EDA）的高科技软件公司。我们自主开发特色工艺芯片设计和仿真软件，提供成熟的设计解决方案如PIC Studio、MEMS Studio和Meta Studio，分别针对光电芯片、微机电系统、超透镜的设计与仿真。我们提供特色工艺的半导体芯片集成电路版图、IP和PDK工程服务，广泛服务于光通讯、光计算、光量子通信和微纳光子器件领域的头部客户。逍遥科技与国内外晶圆代工厂及硅光/MEMS中试线合作，推动特色工艺半导体产业链发展，致力于为客户提供前沿技术与服务。

http://www.latitudeda.com/
( M! e8 [9 L( p" E+ W$ b  _# a8 b（点击上方名片关注我们，发现更多精彩内容）