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。
! Y5 d; B2 ?( Q& `; p3 H6 aPAM4简介
  z, b* T2 v( @, L! gPAM4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：

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01

10

11
2 K1 _2 J% ~3 P$ P这些状态对应四个不同的电压级别，例如+3V、+1V、-1V和-3V。

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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。
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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。
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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
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1 q0 q5 G+ Y) R信号生成
& _; [/ A0 L$ J8 S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。

信号处理
  }8 C  N  b3 |, ^' m0 A9 o4 ?PAM4信号生成并调制到光载波上后，将经过几个处理步骤：
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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。

信号分析
最后阶段涉及分析处理后的PAM4信号：
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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。

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。

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% c: }7 Z0 w3 O' ^. C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。
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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。

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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。
结论
, X* E. F9 I9 x6 U* `$ g9 v: q3 @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。
& u  w7 a% f! N- p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。
. y/ K7 A: J6 o2 s5 \- m4 M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。
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