下一代PON的关键：单波速率的选择及实现

3种单波高速方案解析

单波25G NRZ方案

由于NRZ调制格式简单，在EPON、10G-EPON、GPON、XG-PON1和NG-PON2系统中均采用了该调制格式。在单波25G速率下，若采用O波段传输，NRZ格式的光信号的色散容限可以满足传纤20Km的需求；但如果采用C或L波段（光纤正色散区域），由于色散容限不够，单波25G NRZ方案将无法满足PON系统常规的20Km传纤需求。在此场景下，需通过光学或电学方式进行色散补偿，包括在发送端采用25G电吸收调制激光器和在接收端采用25G APD接收机。虽然该方案下的PON光模块结构简单，但25G光器件成本比较高，且色散容限不够是此方案的最大弊端，补救该弊端的方法是在接收侧采用DSP算法对色散进行补偿。如果算法优化得当，10G光器件甚至可以在接收侧取代25G光器件，而且由器件带宽不足引发的信号畸变也可通过算法一并补偿。

单波25G Duo-Binary方案

Duo-Binary称为双二进制，其通过产生3个电平使得自身频谱相对NRZ频谱降低一半，对应的色散容限可提升2.5倍。根据眼图不同，可将Duo-Binary分为两种：一种是Electrical Duo-Binary，简称为EDB；另一种是Optical Duo-Binary，简称为ODB。其中EDB是一种常规的3电平双二制调制格式，眼图为3个电平，拼合成两个眼睛；而ODB则是在电域产生3电平双二进制信号之后，再通过电光相位调制器将上下两个眼分别调制在不同的相位上，形成类似于NRZ但又不等同于NRZ的ODB眼图。ODB调制格式由于在光相位上形成反转，起到色散抵消作用，因此拥有更好的色散容限。

由EDB和ODB可组成两种对称25G PON系统。在第一种形式中，上下行链路都采用EDB调制格式。考虑到PON系统中ONU侧成本比较敏感，可只在OLT发送侧采用25G光器件的EDB调制，而在ONU发送侧采用10G光器件产生EDB格式的上行信号。由器件带宽限制引发的上行信号的畸变，可在成本不敏感的OLT接收侧通过更为复杂的电域算法进行补偿。在第二种形式中，下行链路采用ODB调制格式，在OLT发送侧通过采用马赫曾德调制器（MZM）在产生的3电平基础上进行相位调制，形成ODB信号。而在ONU接收侧只需要采用类似于NRZ的两电平判决接收，可极大地简化接收电路，降低ONU成本。上行调制方案与第一种形式一致，即在ONU发送侧采用10G光器件产生3电平EDB信号。

单波25G PAM-4方案

PAM-4调制称为4电平脉冲幅度调制，在信号调制时将每两个比特组成一个波特，因此PAM-4调制的波特率将减少一半，频率效率则提升一倍。PAM-4调制的色散容限相对于NRZ可提升4倍。25G PAM-4调制在发送端只需采用12.5G EML和12.5G线性驱动器，在接收端则采用12.5G APD线性接收光组件。而且由于当前主流光器件都是10G，还可以采用10G光器件来代替12.5G EML或APD，再通过电补偿算法进行带宽补偿。PAM-4在发送侧需要采用数模转换器产生4电平，接收侧采用模数转换器解码4电平。        

3种技术方案的对比

上述3种单波高速技术方案各有利弊。25G NRZ方案结构简单，但在接收端需采用DSP进行色散补偿，同时采用25G光器件成本也较高；对称25G EDB方案在ONU侧采用10G接收机和10G发送光器件，成本较低，但下行25G接收需采用EDB格式的3电平解码，会引入额外的ONU成本。而下行25G ODB上行25G EDB方案，其主要优点是下行接收灵敏度高、接收简单，但发送侧较复杂，引入了相位调制器，同时，接收侧还需要采用25G光器件；PAM-4方案波特率减半，对光电器件带宽要求也会降低，但对器件线性度提出了更高的要求，并且PAM-4收发芯片会带来成本和功耗等问题，除此，PAM-4方案相对前几种方案灵敏度也较低。不过，由于业界很多着名电芯片公司拟推出PAM-4编解码芯片，这将有望大幅降低PAM-4方案的收发难度和成本。

除此之外，上述各方案为了达到PON网络系统的功率预算要求，基本上都需要采用光放大器，由此带来的光放大器的成本、功耗和集成度等问题也是单波高速PON需要面临和解决的问题。

每一代PON系统的演进和发展都离不开产业链的配合，当前25G光电器件正在不断成熟。其中，25G电芯片已经成熟商用，比如25G电吸收调制激光器驱动器、25G马赫曾德尔调制器、25G数据时钟恢复和跨阻放大器等；25G O波段的激光器基于PIN接收光组件也已经成熟商用多年；业界正紧锣密鼓开发基于APD的25G接收光组件。可以说，25G光芯片正处于高速发展期。
随着光网络技术的进步，以及高速光电芯片的不断发展，相信单波速率将会不断得到提升，单波高速PON系统也将会迎来更加美好的明天。