单波50GPON实现和应⽤前景分析
光接⼊⽹技术发展趋势
随着⽤户带宽需求不断增长，近年来光接⼊⽹技术发展⼗分迅速。EPON、GPON接⼊技术已逐渐不能满⾜需求，市场开始⼤规模建设10G PON⽹络，国际标准组织IEEE也在进⾏NG-EPON标准制定，ITU-T 对50G PON标准已经⽴项并开始了标准制定。
10G PON之后是采⽤单波长速率提升还是多波长复⽤提⾼系统带宽，业界看法不太统⼀，主要有以下⼏种讨论⽅案：单波长25G PON技术难度相对较⼩，相⽐于10G PON，速率提升幅度较⼩；50G PON速率提升较⼤，但实现PON系统功率预算存在挑战，预计需要采⽤放⼤技术；单波长100G PON对器件要求⾼，⼀般考虑通过4个25G波长或2个50G波长来实现100G传输。单波长25G和50G成本是决定哪种技术路线胜出的关键。单波50G PON实现
单波长50Gbps可以采⽤NRZ（⾮归零码）或⾼阶调制实现，NRZ调制需要50G光器件，但⽬前业界50G光器件仍处于样品阶段；⾼阶调制有PAM-4（四电平脉冲幅度调制）、双⼆进制、DMT（离散多⾳调制）等不同调制⽅案。PAM-4和双⼆进制调制需要采⽤25G光器件，DMT调制是⼀种正交频分复⽤技术，需要进⾏FFT（快速傅⾥叶变换）处理，DMT器件带宽与每个⼦载波的调制阶数有关，调制阶数越⾼则器件带宽越⼩，灵敏度变差。灵敏度⽅⾯，NRZ最好，双⼆进制次之，之后是PAM-4，DMT最差。
光接⼊⽹的单波长50Gbps传输主要考虑PAM-4调制或双⼆进制调制来实现，便于重⽤已经⼗分成熟的数据中⼼25G器件产业链。
基于PAM-4调制技术的单波50G PON
普通的NRZ信号⼀个符号只有两个电平承载1bit信息，⽽PAM-4信号⼀个符号有4个电平承载2bit信息，器件带宽降为NRZ码的⼀半，采⽤25G器件实现50Gbps信号传输。PAM-4调制虽然能够降低器件带宽要求，但与NZR信号相⽐，接收灵敏度有5~6dB损失。
通常的PAM-4发射和接收需要DSP（数字信号处理）算法处理。要发送的数据进⼊DSP进⾏PAM-4映射，预均衡处理，DAC（数字模拟转换器）采样后送给光发射机发送到光链路。接收端信号经过光接收机光电转换后，ADC（模拟数字转换器）信号采样后进⼊DSP处理。采样信号经过时钟恢复，然后进⾏均衡处理，符号判决解映射后就恢复出原始数据了。为了降低对物理层指标要求，⼀般会在收发端进⾏FEC（前向纠错）编解码来提⾼传输性能。
图1是50Gbps PAM-4信号误码率曲线，发射机采⽤25G EML（电吸收调制激光器），分别测试了APD（雪崩光电⼆极管）和SOA+PIN（半导体光放⼤器+光电⼆极管）两种接收机。从图中可以看出采⽤⾥德-索罗蒙编码RS（255,239） FEC算法时，接收灵敏度分别为-20dBm和-22dBm。如果要实现PON系统29dB功率预算，考虑链路传输代价后，发射光功率分别要达到10dBm和8dBm以上，发射机需要集成SOA放⼤器。如果采⽤LDPC（低密度奇偶校验码）纠错算法将接收机误码率放宽到10E-2时，接收灵敏度分别为-22.5dBm和-26dBm，发射机光功率需要分别⼤于6.5dBm和3dBm，前者发射机需要集成SOA放⼤器，后者普通激光器即可达到。
基于双⼆进制调制的单波50G PON
双⼆进制码的符号率虽然没有变化，但频谱带宽降为NRZ码的⼀半。双⼆进制的发射和接收有多种⽅式。发射包括延迟相加和低通滤波⽅案，接收包括三电平判决、DSP均衡恢复。延迟相加⽅案采⽤FIR（有限长冲击响应）滤波器实现，数据延迟1bit后再加上下⼀⽐特后输出即得到双⼆进制码；低通滤波器具有延迟相加的特性，因此NRZ信号通过带宽合适的低通滤波器就变成了双⼆进制信号。双⼆进制码接收可以采⽤三电平判决在接收端恢复出发送的双⼆进制码序列后再经过双⼆进制解码得到原始信号；也可以采⽤DSP均衡算法恢复，将接收到的双⼆进制数据看作是带宽受限的NRZ数据，通过DSP均衡消除符号间串扰恢复出原始数据。
图2是50Gbps双⼆进制信号误码率曲线，数据恢复采⽤DSP均衡，⽐较了有⽆MLSD（最⼤似然序列检测）判决时的误码性能，发射机采⽤25G EML激光器，分别测试了APD和SOA+PIN两种接收机。从图中可以看出，当采⽤RS（255，239） FEC算法时，当使⽤MLSD判决
时，APD和SOA+PIN的接收灵敏度分别为-23dBm和-25.5dBm，即采⽤APD接收时发射机需要达到6dBm以上才能⽀持29dB功率预算，预计需要集成SOA放⼤器才能满⾜，如果是SOA+PIN接收机，普通发射机即可达到要求。如果采⽤LDPC FEC算法，灵敏度进⼀步提升到-24.5dBm和-28dBm，发射机不需要集成放⼤器就可以满⾜要求。
单波50G PON的发展⽅向
50G PON传输所需激光器、接收机、调制解调芯⽚、SerDes等器件可以重⽤或部分重⽤数据中⼼产业链，有利于推动50G PON技术成熟。但PON系统特有的上⾏突发传输、⼤动态范围、⾼功率预算等问题尚未解决。
50G PON采⽤PAM-4或双⼆进制都需要解决上⾏突发传输。ONU上⾏发射端突发激光器驱动；OLT上⾏接收25G线性突发TIA（跨阻放⼤器），仍存在技术难度，需要产业链进⾏重点突破。现有的25G激光器和接收机难以⽀持PON系统29dB功率预算，需要开发更⾼发射功率的激光器、更低接收灵敏度的接收机。速率上升到50Gbps之后，接收机灵敏度变差，过载功率不变，接收机动态范围减⼩，如何解决动态范围较⼩也是50G PON商⽤必须克服的困难。
光接⼊，相⽐数据中⼼，传输距离和功率预算⽐数据中⼼指标要求⾼；相⽐传送⽹，传输距离短，但ODN使⽤分光器功率预算要求⾼。接⼊⽹的终端⽤户规模庞⼤、成本敏感，50G PON必须在光器件和电器件两⽅⾯进⾏平衡，实现性价⽐最优的⽅案才能推动产业发展。数据中⼼采⽤PAM-4⾼阶调制⽅案实现⾼速信号传输，对PAM-4调制解调芯⽚、光收发机的设计、测试等技术积累多，产业链成熟。50G PON采⽤PAM-4调制⽅案可能性更⼤。突发传输、⼤动态范围、⾼功率预算等技术实现⽅案将是未来50G PON研究的重要⽅向。
