第一章：光通信基础与系统架构
各位同学好，我是你们这门课的老张。在通信行业摸爬滚打了十几年，从最早的2.5G光模块做到现在的800G，踩过的坑比走过的路还多。今天咱们聊聊光通信最基础的东西——别觉得基础就简单，我见过太多工程师在PAM4的调试上翻车了。
1.1 光通信基本原理
光通信说白了，就是用光来传数据。电信号通过激光器变成光信号，在光纤里跑，到了对面再变回电信号。听起来简单吧？但这里有个关键问题：光在光纤里传输会衰减，还会产生色散。
我记得刚入行那会儿，有个项目光纤长度算错了，结果信号到对端已经弱得没法看。后来学乖了，每次都要算链路预算：
- 发射功率：激光器能打出多少光，单位是dBm
- 接收灵敏度：接收机能识别的最小光功率
- 链路损耗：光纤每公里衰减0.2-0.3dB，加上连接器损耗
链路预算公式：链路预算 = 发射功率 - 接收灵敏度 - 链路损耗 - 设计余量
举个例子，你发射功率是3dBm，接收灵敏度是-14dBm，链路损耗是10dB，留3dB余量。那链路预算就是3 - (-14) - 10 - 3 = 4dB。这个值必须大于0，不然系统跑不起来。
1.2 PAM4与NRZ调制
这里我要重点说说调制格式。NRZ就是非归零码，每个符号传1比特，要么高电平要么低电平。PAM4呢，每个符号传2比特，有4个电平：00、01、10、11。
你想想看，同样的波特率，PAM4的速率是NRZ的两倍。但代价是什么？信噪比要求更高了。NRZ只需要区分两个电平，PAM4要区分四个，电平间距只有NRZ的三分之一。
个人经验：我在做400G光模块时，PAM4的发射端眼图调试特别痛苦。四个电平要等间距，线性度要好，不然误码率直接飙升。建议新手先用NRZ练手，再挑战PAM4。
为什么现在大家都用PAM4？说白了，就是带宽不够用了。100G时代NRZ还能凑合，到了400G、800G，NRZ需要的带宽太高，芯片做不出来。PAM4用一半的带宽就能达到同样的速率。
| 参数 | NRZ | PAM4 |
|---|---|---|
| 每符号比特数 | 1 | 2 |
| 电平数 | 2 | 4 |
| 信噪比要求 | 低 | 高（约高4.8dB） |
| 实现复杂度 | 低 | 高 |
| 典型应用 | 10G/25G | 50G/100G/400G |
1.3 光模块架构
光模块的结构，我习惯把它分成三块：光发射部分、光接收部分、电接口部分。
光发射部分：
- 激光器驱动芯片：把电信号转成电流驱动激光器
- 激光器：VCSEL用于短距离，DFB用于中长距离
- 光调制器：PAM4需要线性度好的调制器
光接收部分：
- 光电探测器：PIN或APD，把光信号转成电流
- TIA（跨阻放大器）：把微弱电流放大成电压信号
- CDR（时钟数据恢复）：恢复时钟和数据
电接口部分：
- SerDes：串行器/解串器，把并行数据转成高速串行
- DSP：数字信号处理，做均衡、FEC等
避坑指南：我曾经在一个项目中，光模块的散热没做好，结果高温下激光器波长漂移，链路直接断了。记住，光模块的散热设计一定要留余量，特别是PAM4模块，功耗比NRZ高不少。
1.4 SerDes接口标准
SerDes是光模块和FPGA/ASIC之间的桥梁。常见的标准有：
- CEI-28G-VSR：28Gbps短距离接口，NRZ调制
- CEI-56G-VSR：56Gbps短距离接口，PAM4调制
- CEI-112G-VSR：112Gbps短距离接口，PAM4调制
- OIF 224G：最新的224Gbps接口标准
我建议你重点关注CEI-56G和CEI-112G，因为现在主流的400G和800G模块都在用这两个标准。
SerDes的关键参数：
- 速率：比如56Gbps，指的是每通道的速率
- 通道数：比如8个通道，总速率就是8×56=448Gbps
- 调制格式：NRZ还是PAM4
- 均衡能力：CTLE、FFE、DFE等
实际项目经验：我在做FPGA和光模块对接时，最头疼的是SerDes的均衡参数调试。每个通道的PCB走线长度不一样，损耗也不同，需要逐个通道调CTLE和DFE的系数。建议你在设计阶段就做好仿真，不然调试阶段会非常痛苦。
嗯，第一章的内容就这些。光通信基础看起来简单，但每个点展开都能讲半天。下一章我们聊聊FPGA在光通信中的应用，特别是怎么用FPGA实现PAM4的编解码。有什么问题可以课后交流。
课后建议：找一块带SerDes的FPGA开发板，接上一个光模块，试着读一下模块的寄存器，看看能不能把链路建起来。实践出真知，光看书是学不会的。