[发明专利]一种应用于高速光互连的PAM4信号的接收解调电路

说明书

本发明公开了一种应用于高速光互连的四阶脉冲调制(PAM4)信号的接收解调电路，所述电路包括：跨阻放大器，用于将输入的PAM4电流信号转化为PAM4电压信号，并放大，均衡PAM4电压信号的高频衰减，消除码间干扰；电平移位器，用于将PAM4电压信号眼图的三个眼孔分别移位到零电平处；限幅放大器，用于将PAM4电压信号眼图实现上、中、下三眼分离，从四阶脉冲调制(PAM4)编码转化为三路温度计码；重定时器，用于将三路温度计码重新定时，消除三路信号延时，实现同步地输入解码电路；解码器，用于将输入的三路温度计码实现异或逻辑，解码出一路高位NRZ信号，另一路低位NRZ信号由采样后的中眼信号直接输出。

技术领域

本发明涉及高速光互连技术领域，尤其涉及一种应用于高速光互连的PAM4信号的接收解调电路。

背景技术

电子设备、高质量视频流、汽车电子以及物联网的普及，使全球数据流量呈现爆发性增长。在光互连领域中，随着底层传输容量的需求越来越大，受功耗和系统复杂性等方面的限制，传统多路复用技术在25Gb/s超高速传输方面逐渐到达极限。因此，下一代光收发机必须另辟蹊径来提高数据的吞吐量。

针对上述困难，引入四阶脉冲调制(PAM4)的调制形式是一种行之有效的办法，因为它可以通过降低光电子器件和电子电路的工作频率来缓解带宽限制。PAM4信号使用4个连续的二进制编码(00、01、11、10)表示的电平幅值进行信息传输。与传统非归零码(NRZ)信号相比，PAM4信号的每个幅值包含两位信息，所以在相同带宽下，PAM4信号的数据传输速率增加了一倍，也就是说PAM4的带宽效率是NRZ的两倍。由于带宽效率的提升，PAM4信号的信道损耗也大大减小。然而，通过增加脉冲幅度调制电平数提高数据比特率的PAM4调制是以牺牲噪声敏感性为代价的。与NRZ信号相比，PAM4信号在一个周期内有三个眼孔和四个电平，每个眼孔的张开度只有NRZ信号的三分之一。在相同误码率条件下，传输PAM4信号要求的信噪比是NRZ信号的三倍，因而在线性度和噪声方面，对PAM4信号解调电路的设计提出了更高要求。鉴于PAM4信号在高速数据传输中的诸多优势和电路设计面临的诸多挑战，深入研究PAM4信号的接收解调电路具有重要意义。

PAM4接收解调电路设计与传统光接收机前端电路差别加大。因PAM4信号有4个电平，在电路设计中需要将其还原成两路并行的NRZ码。这就要求除了传统光接收机电路广泛应用的跨阻放大器模块和限幅放大器模块外，还需引入判决电路模块对4个电平进行识别，采样电路模块消除前级电路带来的延时，解码电路模块实现解码。这些高速解调电路模块无疑为PAM4接收解调电路的设计提出了挑战。

由于PAM4调制被业界广泛认为是最适合超高速光互连系统的实现方式，所以PAM4信号的收发机电路成为了国内外研究的热点。2015年，美国贝尔实验室基于0.18μm SiGeBiCMOS工艺，研制了112Gb/s PAM4光收发机，并成功在2km标准单模光纤上实现传输^[1]，但其后端解调模块采用模数转换器处理，增加了系统复杂度与功耗；2018年，Inphi公司基于0.13μm SiGe BiCMOS工艺设计了一款双通道2×64Gb/s PAM4跨阻放大器^[2]，较为显著地降低了噪声，但其只提供了接收机前端电路的解决方案，未进行接收机整体设计。此外，IHP公司基于0.13μm SiGe BiCMOS工艺设计了两款100Gb/s全差分线性跨阻放大器，在PAM4调制技术下，实现了50GBaud的传输速率^[3]。目前，国内外对于PAM4接收解调电路的研究大都集中在光接收机模拟前端电路方面，接收解调整体电路尚处在模块级设计，且电路设计复杂度高，功耗较大，实际应用价值不强。

参考文献：