NRZ与PAM4：信号格式的演变如何影响光纤的连接、检测与测试

随着数据中心网络传输速度达到800G及以上，从NRZ（不归零）向PAM4（四电平脉冲幅度调制）的演变正在重塑光纤基础设施需求。让我们来探讨这些信号技术进步如何影响当今应用中的通道和光纤数量，以及它们对检测和测试的影响。

什么是NRZ？

每条以太网链路的两端都有网络收发器，负责发送和接收信号。这些收发器使用信令方式将数字数据转换为跨网络电缆通信所需的电信号或光信号。虽然光纤电缆变化不大——OS2单模光纤于2000年问世，OM4多模光纤于2009年问世——但信令方式确实发生了变化。

不归零（NRZ）信号技术自数字通信早期就已存在，并在20世纪80年代成为以太网的标准信号方式。NRZ采用两种信号电平的编码方案，每个电平代表一个位：1和0。信号在连续相同值的比特之间保持恒定，意味着它不会回到中性或零状态。

NRZ 是一种简单且成本效益高的编码方案，由于信号跳变较少，功耗也较低。随着时间推移，波特率（即每秒信号跳变的次数）不断提高，使得以太网单通道速率从1 Gbps提升至10 Gbps，如今在NRZ信号下已达到25 Gbps。

但NRZ在每通道25 Gbps时达到了实际瓶颈。 为实现更高速率所需的更高波特率，会使信号更容易受到噪声和脉冲重叠的影响。尽管NRZ在低于100G的应用中仍在广泛部署，但对更快通道速率以满足日益增长的带宽需求，要求引入一种新的编码方案。

什么是PAM4？

四电平脉冲幅度调制（PAM4）信号技术大约于2015年推出，使数据传输速率比NRZ翻了一倍。它采用四个信号电平，每个电平代表两位数据：00、01、11和10。这使得PAM4信号能够支持50 Gbps的以太网单通道速率，而在相同波特率下NRZ仅支持25 Gbps。

然而，由于信号电平之间的间隔更加紧密，PAM4更容易受到噪声的影响，包括由反射引起的噪声。这需要更复杂、功耗更高的收发器，并依赖前向纠错（FEC）技术——即通过在数据中编码冗余信息来检测和纠正传输错误。

NRZ编码使用两个信号电平，分别代表1和0。PAM4使用四个信号电平，分别代表00、01、11和10，基本将数据速率翻倍。

为什么PAM4要取代NRZ：实现通道速率翻倍

支持PAM4的50 Gbps通道速率是行业的一个重要里程碑。它促成了IEEE 802.3cd于2018年及IEEE 802.3cm于2020年相继获得批准，这些标准对以下方面进行了规范：

• - 50 Gig 以太网，单通道

• - 100 Gig 以太网，2通道

• - 200 Gig 以太网，4 通道

• - 400 Gig 以太网，8 通道

数字信号处理（DSP）技术的进步使得噪声、色散及其他信号失真成为可能。这些发展使得PAM4波特率翻倍，支持100 Gbps单通道传输速率——这成为支持200 Gig（2 Gig）2通道、400 Gig（4通道）和800 Gig（8通道）的基础。

如今，DSP技术的进一步进步再次使PAM4的波特率翻倍，实现了200 Gbps的通道速率。 预计于2026年中发布的IEEE 802.3dj标准，将利用该技术支持仅需4通道的800G和仅需8通道的1.6T以太网。这与早期10 Gbps NRZ通道速率需要10条通道才能支持100G的情况相比，是一次重大飞跃。目前业界已着手再次将PAM4的波特率翻倍，以期实现400 Gbps的通道速率。每一次信号通道速率的提升，都使得用更少的通道支持更高速的应用成为可能。

提高信号通道速率，即可用更少的通道支持更快的应用速率。

信号通道如何影响光纤连接

信号通道通过波长在光纤上传输数据。并行光技术 通过在多根光纤上同时传输数据来实现更高的速度，通常每根光纤使用单个波长。波分复用技术 则通过在单根光纤上使用多个波长同时传输数据来实现更高的速度。这意味着一个4通道的400G应用，可以通过并行光技术在8根多模光纤上实现，或通过WDM在2根单模光纤上实现。

• - 一个4通道的 400GBASE-SR4 多模并行光应用，使用4根光纤发送、4根光纤接收，速率均为100 Gbps，所有通道均工作在850 nm波长。

• - 一个4通道的 400GBASE-LR4 WDM单模应用，使用1根光纤发送、1根光纤接收，每根光纤承载四路100 Gbps信号，分别工作在1271 nm、1291 nm、1311 nm和1331 nm波长。

通道速率、通道数量以及光纤数量共同决定了光纤应用的连接方式。并行光应用需要多芯连接器，如 MPO/MTP、MMC 或 SN-MT 连接器——4通道应用通常使用8芯连接器，而8通道应用则使用16芯连接器。

相比之下，WDM应用通常使用双工连接器，因为它们在单对光纤对上使用多个波长。

此外，也可以将并行光和WDM技术结合起来，以减少光纤数量。例如，2020年批准的 8通道 400GBASE-SR4.2 多模应用，采用50 Gbps通道速率，并在每根光纤上使用2个WDM波长（850 nm和910 nm）。这种方法使数据中心能够利用现有的8芯连接从100G升级到400G，而无需升级到16芯连接。

检查与清洁注意事项

PAM4 实现了更高的速度，但减少了信号余量，使得光纤的清洁度和连接器质量对性能至关重要。检查连接器时，务必使用与连接器类型和端面相匹配的检查工具。

• - 双工连接器包括LC、SC、ST和FC连接器。还有超小型双工连接器（VSFF），包括MDC、CS和SN。这些更新、更小的连接器在超高密度环境中节省了空间。

• - MPO 连接器可以是传统类型（8芯、12芯、24芯、16芯或32芯），也可以是较新的 VSFF 多芯连接器，例如日益普及的 US Conec 公司的 MMC（有12芯、16芯和24芯版本）以及 Senko 公司的 SN-MT（有16芯版本）。

光纤端面也有两种类型：超物理接触（UPC）和倾斜物理接触（APC）。

• - UPC端面为平的，而APC端面采用8度倾角，可减少光纤芯芯中的反射。

• - 单模双工连接器可以是APC或UPC，而多模双工连接器通常是UPC。单芯双工连接器的抛光度优于多芯连接器，能提供良好的反射率，且无需多芯单模连接器所需的APC端面。

• - 单模MPO连接器使用APC端面，而多模MPO连接器可以是APC或UPC。

• - APC多模MPO连接器在高速400G和800G应用中变得越来越常见，因为PAM4在100和200 Gbps通道速率下对反射更加敏感。

为了高效检测，Fluke Networks FI-1000 FiberInspector™ Pro 可以检测任何 APC 或 UPC 双工连接器，并根据 IEC61300-3-35 清洁度标准自动提供通过/不合格结果。同样由Fluke Networks开发的FI-3000 FiberInspector™ Ultra Camera，提供单光纤和多光纤UPC及APC多光纤连接器的自动通过/失败检测，包括12、16、24和32光纤MPO和VSFF MMC。

如果检查后需要清洁连接器，Fluke Networks 快速清洁™清洁剂有多种双工和多光纤连接器类型，包括VSFF双工MDC和多光纤MMC。与依赖用户操作的传统棉签清洁器不同，易用的快速清洁清洁器只需简单的推力动作，发出可听的咔嗒声，每次都能持续清洁。

光纤链路认证测试最佳实践

为确保光纤链路符合设计规范的长度、损耗预算和极性要求，认证测试需要了解具体应用和连接类型。

为了获得最准确的测量，认证测试仪的内置输入适配器和测试参考线（TRCs）必须与被测链路相匹配。这就采用1跳点设置参考，测量不确定性最小。如果不匹配，可能需要使用精度较低的三跳线参考，并在被测电缆两侧使用混合TRC。

对于双工链路，Fluke Networks 的 CertiFiber™ Pro Optical 损耗测试集配备了多种适配器和 TRC，用于测试 LC、SC、ST 和 FC 双工 APC/UPC 连接器，以及新的 MDC VSFF 连接器，并带有 1 跳线参考。对于多芯纤链路，Fluke Networks 的 CertiFiber MAX 光损耗测试集配备了多种适配器和 TRC，用于测试有针脚和无针脚的 MPO-12、MPO-16 和 MPO-24 连接，以及 16 和 24 光纤 MMC，并带有 1 跳线参考。MultiFiber™ Pro MPO测试仪还配备了板载MPO连接器，配备多种适配器和TRC，用于测试不同光纤数量和APC/UPC端面，并带有1跳线参考。

Fluke Networks 的 CertiFiber™ Pro 光损耗测试集配备了多种适配器和 TRC，包括新的 MDC VSFF 连接器，支持单跳线参考

在测试WDM应用时，必须同时在最短和最长波长上测试，以覆盖整个波长范围。波长越短，对对准问题（损耗事件）更为敏感，而波长越长，对纤维弯曲或裂纹引起的问题更为敏感。比较两个波长的损耗值，如果损失在较长波长处较高，可以判断出弯曲或裂纹。

对于单模WDM应用，通常只需在1310 nm和1550 nm的波长测试CertiFiber Pro即可。CertiFiber Pro 还可以在 1490 nm 和 1625 nm 波长下测试使用这些更高波长的单模无源光网络。

对于850纳米至950纳米范围的多模WDM应用，使用CertiFiber Pro或MultiFiber Pro在850纳米和1300纳米的环绕通量测试提供全面的测试覆盖。