Tecnologías centrales en 400G QSFP-DD AOC: PAM4 y DSP

Para admitir la velocidad de transmisión de 400 Gbit/s, el modo de transmisión de 4 canales x100 Gbit/s que usa modulación PAM puede reducir la complejidad del diseño y el consumo de energía del transceptor. Se observa que, en comparación con los moduladores Mach-Zehnder (MZM) basados ​​en modulación externa, los esquemas de modulación interna que utilizan láser modulado por electroabsorción (EML) y láser modulado directamente (DML) son menos costosos y de diseño más simple.

Pero dos cuellos de botella limitan el rendimiento del sistema: la limitación del ancho de banda de modulación del dispositivo optoelectrónico y el problema de deterioro no lineal durante la modulación y la demodulación. Se han propuesto muchos métodos de procesamiento de señales digitales (DSP) para abordar estas dos limitaciones, como la ecualización de retroalimentación de juicio, la ecualización de Volterra no lineal, etc., todos los cuales requieren una alta complejidad computacional en el lado del receptor.

tecnología PAM4

Debido a los requisitos de la tecnología 400G, es necesario aplicar requisitos de tasa de 56G o 112G de un solo canal, pero el costo de introducción de reflexión y pérdida de canal de las señales 56G/112G es demasiado alto, y la tolerancia a la diafonía del canal se reduce considerablemente. . La tecnología NRZ actual es difícil de romper a través de la tasa de transmisión de 56G de un solo canal. Por lo tanto, la industria introdujo la tecnología PAM4 para solucionarlo.

PAM4 es un tipo de tecnología PAM (Pulse Amplitude Modulation). Sus métodos de modulación incluyen métodos de implementación de DAC digitales basados ​​en DSP y métodos Combine basados ​​en analógicos. El modo analógico principal puede funcionar agregando dos canales de señales NRZ, y el modelo digital se basa en un DAC de alta velocidad para una salida rápida de 0/1/2/3 niveles.

Como se muestra en la figura, PAM4 está modulada por una amplitud de cuatro niveles, y cada valor de nivel puede transportar información de dos bits, a costa de ser más sensible al ruido. Si observamos el diagrama de ojo de una señal NRZ, asumiendo que el período de bits es T y la amplitud es A, entonces el ancho de banda del canal es el inverso del período de bits (1/T). Cuanto mayor sea la tasa de bits, menor será el período de bits y mayor será el ancho de banda de la señal. También hay un requisito de relación señal-ruido (SNR), que está relacionado con la amplitud de la señal. Visto verticalmente, cuanto menor sea la apertura del diagrama de ojo, más difícil será distinguir la señal original del receptor con una relación señal/ruido fija.

Figura 1: diagrama esquemático del principio PAM4

¿Hay alguna otra forma de duplicar la tasa de bits? Una forma es serializar los flujos de dos bits. Utilice un canal de 56 Gbit/s en lugar de dos canales de 28 Gbit/s. Entonces, en el ciclo de velocidad original de 28 Gbit/s, la velocidad actual alcanza los 56 Gbit/s. Como puede verse en el diagrama de ojo de la señal ML, su amplitud sigue siendo A, pero el período se convierte en T/2. Si el período de bits es recíproco, se obtiene el ancho de banda de la señal 2/T. A permanece sin cambios, es decir, la relación señal/ruido permanece sin cambios, pero el ancho de banda de la señal se duplica.

Necesitamos una forma de multiplicar la tasa de bits sin aumentar el ancho de banda, y aquí es donde PAM4 sobresale. El diagrama de ojo de PAM4 es inusual, con 3 ojos abiertos y 4 amplitudes cuando se ve longitudinalmente, con un período de símbolo de T. Sin embargo, el rango de apertura de cada ojo es A/3, y el requisito de ancho de banda correspondiente es 1/T. De esta manera, obtenemos una señal de 56 Gbit/s, que es la misma que el ancho de banda M o L de la señal de un solo canal de 28 Gbit/s, pero la relación señal-ruido está relacionada con A/3, por lo que PAM4 tiene un equilibrio entre la relación señal-ruido y el ancho de banda de la señal.

Muchos enlaces en serie tienen un ancho de banda limitado, por lo que es difícil aumentar los 28 Gbit/s al acortar el período de bit. Sin embargo, cuando hay espacio para SNR, es una buena opción sacrificar parte del costo de SNR a cambio del esquema PAM4 con una tarifa duplicada.

W¿Qué es la tecnología DSP?

Para los sistemas de comunicación óptica de corta distancia, los principales factores a considerar son: 1) dispersión cromática, es decir, diferentes longitudes de onda corresponden a diferentes velocidades de grupo, lo que resulta en un ensanchamiento del pulso y una distorsión de la señal. Por lo tanto, la banda O con menor dispersión cromática se selecciona para la longitud de onda de trabajo; 2) efecto de filtrado de paso bajo causado por un ancho de banda insuficiente del dispositivo; 3) rotación de polarización. Debido a la corta distancia de transmisión, no se considera la dispersión del modo de polarización. La influencia traída por estos factores puede ser compensada por DSP.

DSP es una tecnología de procesamiento de señales digitales, y el chip DSP se refiere al chip que puede realizar la tecnología de procesamiento de señales digitales. Es un microprocesador rápido y potente. La característica única es que puede procesar datos en tiempo real. El interior del chip DSP adopta una estructura Harvard con programas y datos separados y tiene un multiplicador de hardware dedicado, que se puede usar para implementar rápidamente varios algoritmos de procesamiento de señales digitales. En el contexto de la era digital, DSP se ha convertido en un dispositivo básico en los campos de las comunicaciones, las computadoras y la electrónica de consumo.

En el sistema de comunicación óptica de corta distancia, las funciones principales del transmisor DSP son:

1) Tecnología de codificación FEC (corrección de errores hacia adelante). Su principio básico es utilizar el método de codificación redundante, que tiene la ventaja de corregir automáticamente los errores de transmisión.

2) Mapeo de bit a símbolo

3) Re-muestreo

4) Forma de pulso

5) CAD

Las funciones principales del receptor DSP son:

1) CDA

2) Re-muestreo

3) Reprogramación

4) Ecualizador adaptable, que ajusta automáticamente sus coeficientes en función de la medición de las características del canal para adaptarse a los cambios en las características del canal, compensar la señal y eliminar la interferencia entre símbolos.

5) decodificación FEC

Comparamos los requisitos de configuración de DSP correspondientes a tres métodos de modulación diferentes. Los tres formatos de modulación son (1) PAM; (2) CAP (modulación de fase y amplitud sin portadora); (3) DMT (modulación multitono discreta). La configuración DSP correspondiente a estos tres métodos de modulación se muestra en la siguiente figura.

Figura 2：Configuración DSP correspondiente a los tres métodos de modulación

Para PAM, las funciones de conformación de pulso y preénfasis en el transmisor se utilizan para compensar las limitaciones de ancho de banda del DAC y la no linealidad del dispositivo transmisor. Se utiliza un ecualizador adaptativo en el receptor para compensar las pérdidas en el transmisor y el canal.

Para el CAP, el transmisor utiliza dos filtros de conformación para formar una señal de modulación de amplitud en cuadratura (QAM). La función de mejora previa es similar a la de la codificación PAM, que también se utiliza para la compensación. En el extremo receptor, la señal se divide en dos canales para su procesamiento y, finalmente, se sintetiza la señal QAM.

En cuanto a DMT, cuenta con una alta eficiencia espectral, alta tolerancia a la pérdida y codificación flexible. En el lado de la transmisión, la función S/P convierte la información en serie en bloques paralelos. La función IFFT convierte la señal al dominio del tiempo. La interferencia entre bloques paralelos se puede evitar agregando un prefijo cíclico. En el extremo receptor, es la operación inversa de la función del extremo emisor.

La complejidad de DSP afecta directamente el costo y el consumo de energía de los módulos ópticos. Los tres métodos de modulación tienen algunos módulos DSP comunes, incluidos el códec FEC, mapeo/desasignación de bits, DAC, ADC, etc. En comparación, el método PAM requiere menos módulos, y tanto CAP como DMT requieren unidades de filtro adicionales, que son más complicadas. Las ventajas y desventajas de estos métodos de modulación se comparan en la siguiente tabla.

Tabla 1: Comparación de las ventajas y desventajas de los tres formatos de modulación

RS significa sensibilidad del receptor, RIN significa ruido de intensidad relativa. En comparación, el método PAM-4 es la mejor opción, puede realizar comunicaciones ópticas de corta distancia de forma sencilla y tiene un rendimiento excelente. En la actualidad, la mayoría de los módulos ópticos de demostración de 400G se basan en el método PAM-4.

Una parte muy importante del 400G QSFP-DD AOC es el diseño del circuito de recuperación de señal. En el pasado, la recuperación de señal usaba circuitos CDR (recuperación de reloj y datos). En la interfaz de conversión eléctrica-óptica, la señal en serie de alta velocidad pasa a través de la placa de circuito de alta pérdida, lo que provoca una grave degradación de la calidad de la señal. La señal es recuperada por el PAM4 CDR, obteniendo así un reloj y datos de bajo jitter. En la interfaz de conversión electroóptica, debido a la pérdida de inserción del modulador electroóptico y la pérdida de transmisión de la fibra óptica, la señal con pérdida recibida por el fotodetector también necesita CDR para la recuperación de datos.

Figura 3: esquema DSP basado en la modulación PAM4

Sin embargo, en términos de rendimiento, la mejora de CDR para todo el circuito es mucho menor que la de DSP. DSP es un chip de procesamiento digital de alta velocidad. Además de proporcionar la función de recuperación de reloj digital que puede proporcionar CDR, también puede realizar operaciones de compensación de dispersión en 400G QSFP-DD AOC productos para eliminar factores de interferencia como el ruido y la no linealidad. Limitado por el tamaño del paquete del módulo óptico, 400G QSFP-DD AOC no tiene muchos canales paralelos y, junto con el ancho de banda limitado de los dispositivos electroópticos, las personas deben aumentar la tasa de onda única.

Para aplicaciones de onda única por encima de 100 G, el chip controlador eléctrico actual y los dispositivos ópticos en el extremo receptor no pueden alcanzar el ancho de banda por encima de 50 GHz, por lo que es equivalente a introducir un filtro de paso bajo en el lado del transmisor, que se manifiesta en el dominio del tiempo como interferencia entre códigos.

Tomando como ejemplo la aplicación de PAM100 de 4G de onda única, el dispositivo de modulación con un ancho de banda insuficiente hará que el ancho de ojo de su señal sea muy pequeño. Además, la recuperación del reloj basada en el PLL analógico anterior no puede encontrar el mejor punto de muestreo, por lo que el receptor no puede recuperar la señal correcta.

Después de la introducción de DSP, la señal se puede comprimir directamente en el extremo de transmisión y la señal se puede recuperar mediante el filtro FIR adaptativo en el extremo de recepción. Este método puede cambiar la influencia del ancho de banda analógico incontrolable en el dispositivo de modulación/recepción en una compresión de espectro digital conocida, lo que reduce la necesidad de ancho de banda del dispositivo óptico.

Figura 4: Diagrama de ojo de FiberMall 400G QSFP-DD AOC

En general, en comparación con el circuito CDR, el producto AOC QSFP-DD 400G que utiliza la solución DSP tiene un mayor consumo de energía y costo. Sin embargo, tiene una mejor capacidad para procesar señales, lo que se manifiesta principalmente en la gran adaptabilidad del puerto eléctrico, el buen rendimiento optoelectrónico, etc.

Conclusión：

Las anteriores son las tecnologías principales de los productos 400G QSFP-DD AOC: tecnología PAM4 y DSP. La tecnología PAM4 supera la capacidad débil de la modulación NRZ tradicional a una tasa de 56G y duplica la tasa de bits sin aumentar el ancho de banda. Sin embargo, PAM4 sacrifica la relación señal-ruido, lo que hace que los productos 400G QSFP-DD AOC sean más sensibles al ruido, y los chips DSP solo compensan las desventajas de la tecnología PAM4.