演奏5G交響樂，誰是指揮家？

如果說20世紀是電的世紀，那麼21世紀就是光的世紀。電在上個世紀解決了動力的傳輸問題，現在，我們需要利用光實現資訊的高效傳輸。面對爆發式增長的資料量，市場對資料通信的頻寬需求也水漲船高。為了同時滿足傳輸效率、功耗、成本等因素，利用光波作為傳輸介質的光互連技術成為當前以及未來主流的實現中長距離資料通信的技術方向。

從NRZ到PAM4

說起光通信領域的重要技術，不得不提NRZ和PAM4。

其中，NRZ（Non-Return-to-Zero）即不歸零編碼，它採用NRZ編碼的信號，使用高、低兩種信號電平來表示傳輸資訊的數位邏輯信號。NRZ有單極性不歸零碼和雙極性不歸零碼兩種數位信號的基帶傳輸方式。

PAM4是繼NRZ之後熱門的信號傳輸技術。PAM4（4PulseAmplitudeModulation）即四電平脈衝幅度調製，它是一種採用4個不同的信號電平來進行信號傳輸的調製技術，當前已被廣泛應用在高速信號互連領域。

PAM4相比NRZ優勢在哪？

當傳輸速率在28Gbps時，不少業內人士就已經認識到了NRZ對信號能量損耗的問題，也提出了用PAM4格式來傳輸。但由於NRZ依然能在大體上滿足28Gbps的應用，並且從NRZ遷移到PAM4還需要得到相應晶片及測試系統的支援，成本也會相應升高。因此，PAM4在當時進展並不快。

隨著傳輸速率提升到了56Gbps，NRZ對於信號的損耗也達到了無法忽視的程度，這迫切需要採用更高階的調製技術來彌補諸多不足，業界對於PAM4的呼聲也越來越高。

對比這兩項技術，NRZ信號採用高、低兩種信號電平表示數位邏輯信號的1、0，每個時鐘週期可以傳輸1bit的邏輯資訊。PAM4的信號則採用4個不同的信號電平進行信號傳輸，每個時鐘週期可以傳輸2bit的邏輯資訊，即00、01、10、11。因此，在同樣的串列傳輸速率條件下，PAM4信號比特速率是NRZ信號的2倍，令傳輸效率提高一倍。

如果光信號也能夠採用PAM4來傳輸，在光模組內部進行電光轉換時，則可以直接實現PAM4信號的時鐘恢復以及預加重等處理，免去了先將PAM4信號轉化成2倍串列傳輸速率的NRZ信號再進行相關處理的多餘環節，進而可以節省晶片設計成本。得益於PAM4帶來的利好條件，IEEE乙太網標準組802.3已確定在400Gbps/200Gbps/50Gbps介面中的實體層採用PAM4編碼技術。

為什麼5G需要PAM4？

5G網路一個最重要的目標就是對大頻寬應用的支持，例如線上觀看4K甚至8K以上的視頻，以及諸如像VR/AR需要高速、低延時的應用。這些對終端使用者的體驗改變可能只是看得更清楚或者手機裡多了幾個APP，但是在整體網路環境上卻意味著一次大幅度的升級。

比如，5G頻譜寬度要從100MHz起步，相比4G初期提升了5倍，到達Sub6G頻率階段將會比4G提升15至25倍，從網路的承載容量上來看，預計也將會有2至3個數量級的提升。

然而，信號傳輸時必然伴隨著能量損耗的問題。如今5G網路在各方面參數都要提升數倍，在損耗率不變的情況下，也意味著能量損耗也會成比例增加。所以提升的前提首先要“止損”，就好比我們要給一個池子灌滿水，如果一邊灌一邊漏，那麼很多工作便成了無用功。

前面提到，由於PAM4信號每個符號週期可以傳輸2bit的資訊，因此要實現同樣的信號傳輸能力，PAM4信號的符號速率只需要達到NRZ信號的一半即可。

以單通道50GPAM4即50GE光模組為例，在發射方向，首先PAM4編碼晶片會將2×25G NRZ信號轉換為1×25GBaud PAM4信號，然後由雷射器驅動晶片將PAM4信號放大，驅動25G雷射器將電信號轉換為單波長25GBaud（50Gbps）光信號。其次在接收方向，探測器將上面的光信號轉換為電信號，整形放大後輸出至PAM4解碼晶片接收端。最後由PAM4解碼晶片再將該信號轉換為2×25GNRZ信號。

如此一來，由傳輸通道造成的損耗將會大大減少，有效地提升了頻寬利用效率。

在5G的建設中，成本對於運營商們來說也是一座需要翻過的大山。單從基站的數量上看，由於5G信號頻率的特性，要想達到理想的網路覆蓋和速度，基站的數量將至少是4G的2倍，網路全面鋪開後預計將達到4至5倍，而且每個基站的功耗更高，組網也需要的更多的光纖。然而運營商無法按照這樣的比例去增收用戶的費用，甚至還要做到提速降費，所以要降低成本只能從每個環節中省出來。

PAM4在寬頻利用率上的提升所帶來的光模組成本降低，也是5G實現低成本、廣覆蓋的關鍵因素。作為網路實體層的基礎構成單元，光模組在移動承載網設備的成本構成中占比越來越大，部分設備中甚至超過50—70%。據分析機構Yole的調研，2019年至2025年，來自數通市場的光模組需求，將實現約20％的年複合增長率；在電信市場將實現約5％的複合年增長率。

隨著5G技術的不斷發展和人們對於網路需求的進一步提升，未來也不排除採用更多電平的PAM6或PAM8進行信號傳輸。5G這曲“交響樂”，除了要有站在臺上的這位光互連技術作為“指揮家”帶頭指引，還得有在核心網、回傳前傳和無線接入中的每位“樂手”分毫不差地配合，才能將這首曲子演奏地精彩漂亮。