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。
% |  X2 r+ F, VPAM4简介
' A. P4 t4 S1 I$ `% E! |PAM4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。
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
5 `1 C, u, _5 z1 \这些状态对应四个不同的电压级别，例如+3V、+1V、-1V和-3V。
% n! V( Z8 z' i' w$ g0 o; Q8 I

4ebjdhxjsbh6407728911.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。
3 [; r; K# q+ `5 [3 I+ {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。
/ ~7 H. B) X5 v4 M$ x% c[/ol]
光纤系统中的PAM4
$ X, q$ a* k% b  m' x8 w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。
, r* z" a; `7 Y/ R$ P5 c

h4lxe2mitnz6407729012.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：

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。
$ b5 _* b( B5 [! @
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：
9 Y$ V. m  a7 K& N2 T9 G

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。
0 {( h$ d/ \) ^' ~6 Y# K  S$ i
信号分析
最后阶段涉及分析处理后的PAM4信号：

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。
( b' k0 v1 V, \% t6 i
PAM4信号可视化
' L  O6 B& U. B4 k0 a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。
2 W9 ^2 X( _0 @( _) e* R# {& ^

euinfltu3jc6407729112.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。
( u6 S$ V/ D) E  L1 @& @

x3w2sgnk01e6407729212.png

& B! n+ ?; D- `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。
5 j3 V* }: r8 i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。
! G9 v% |- Y' {7 T: d3 ?$ a+ e. J( B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。

rdiz3au4flk6407729312.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。
- j% ~& O& P0 S$ R1 b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。
$ o( ~1 m3 V; D' |# ]9 |* u结论
PAM4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。
9 g) @! Y) q) Z% t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。
( j- ^3 Z; w5 k  @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。
- O  z# Z; l8 V7 u
* Z0 a* P# N. l; n4 J. Y- END -
# U/ U. i: ?6 X/ \& N
+ a" @) ~/ i: U# O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。
点击左下角"阅读原文"马上申请

4 B: \. U( |3 i. O4 J欢迎转载
; a2 V1 E4 @9 x- n! k9 a* j' a
转载请注明出处，请勿修改内容和删除作者信息！
1 t% A4 ?7 a. p1 d; P

3 Q' t, P8 g. q; k/ |. }3 Q$ {

mn3c5y3z23g6407729412.gif

关注我们

wa4driweibd6407729512.png

N7 g0 `- Q, S# u 3wd5vsax5ns6407729612.png & i4 q  i( _3 U. ^4 P

3 i0 A9 @  [) _- D uec2kkdu5qy6407729712.png

                     
3 D: ~1 l8 f. b$ ^' k8 \


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。
9 o# d$ T8 `, t8 x, j
http://www.latitudeda.com/
（点击上方名片关注我们，发现更多精彩内容）