Tecnología DSP en comunicaciones ópticas coherentes

Resumen

La tecnología de transmisión óptica coherente se ha convertido en una parte esencial de las redes de fibra óptica de larga distancia y alta capacidad. Esta avanzada tecnología de modulación puede codificar datos en amplitud, fase y polarización de la luz. El núcleo de cada transceptor coherente es un procesador de señales digitales (DSP) altamente complejo, que realiza un procesamiento de señales que es crucial para lograr una transmisión coherente. Este artículo proporciona una descripción general completa de las diferentes funciones dentro del motor electrónico del transceptor coherente, con un enfoque en el DSP, y resume los últimos desarrollos y los desafíos futuros de la tecnología DSP.

Introducción

En las últimas décadas, el tráfico global de Internet ha crecido exponencialmente, duplicándose cada dos años. Este crecimiento sostenido se debe a la enorme demanda de aplicaciones que utilizan un uso intensivo de ancho de banda, como la transmisión de video, la computación en la nube, las redes sociales y la gran cantidad de dispositivos en red impulsados ​​por el Internet de las cosas (IoT). Para mantenerse al día con la explosión de datos, los proveedores de servicios han transformado la red central de transmisión óptica de simples enlaces punto a punto a topologías de malla flexibles y de alta velocidad. Sin embargo, depender de la tecnología de transmisión óptica tradicional limita la capacidad y la distancia de transmisión, lo que se convierte en un cuello de botella para el crecimiento futuro.

La tecnología de transmisión coherente ha surgido como la solución, permitiendo que la red central incremente en 100 veces el volumen de datos transmitidos a través de una sola fibra. Este esquema de modulación avanzado codifica la información en tres atributos de la luz: amplitud, fase y polarización. La transmisión coherente abre la capacidad y la distancia de transmisión mucho más allá de las técnicas tradicionales de modulación de encendido y apagado.

El núcleo de cada transceptor coherente es un procesador de señales digitales (DSP) altamente complejo compuesto por circuitos electrónicos dedicados y algoritmos avanzados. El DSP realiza un procesamiento de señales que es esencial para lograr una transmisión coherente, incluida la codificación/decodificación de datos, la compensación de deficiencias del canal, el monitoreo del rendimiento, etc. La innovación del DSP fue el catalizador de la revolución de la tecnología de transmisión coherente en la última década.

A medida que el tráfico global de Internet crece rápidamente, también es necesario mejorar en consecuencia las capacidades de la tecnología coherente. La mejora del DSP en términos de distancia de transmisión, eficiencia y consumo de energía brinda oportunidades importantes para que la industria continúe mejorando los transceptores coherentes para satisfacer nuestras necesidades de datos. Este artículo proporcionará una descripción general completa de las diferentes funciones dentro del motor electrónico del transceptor coherente, centrándose en el DSP. También resumirá los últimos desarrollos y desafíos de la tecnología DSP.

El motor electrónico de los transceptores coherentes.

El DSP es parte de un sistema electrónico más grande dentro de cada transceptor coherente, llamado motor electrónico. Como se muestra en la Figura 1, el motor consta de los siguientes componentes clave:

• Los circuitos de procesamiento analógico convierten señales entre formatos analógicos y digitales. La transmisión por fibra son señales ópticas analógicas, pero el procesamiento de datos es digital. Se requiere conversión de formato al transmitir y recibir señales.
• El procesamiento de señales digitales (DSP) codifica/decodifica datos y compensa las deficiencias del canal. Esta es la función central de procesamiento de señales.
• Corrección de errores directos (FEC), que mejora la tolerancia al ruido y la distorsión. FEC permite que los enlaces coherentes manejen tasas de error que son un millón de veces mayores que los enlaces tradicionales de detección directa.
• Bridge, que convierte datos entre formatos Ethernet y Red de Transporte Óptico (OTN).
• Pegue circuitos lógicos, como microprocesadores, convertidores serie/paralelo (SERDES), etc., para conectar los distintos módulos.

Cada módulo del motor electrónico contiene circuitos y algoritmos dedicados, lo que lo convierte en una propiedad intelectual independiente. Por lo tanto, desarrollar el motor completo requiere experiencia en varios campos.

Figura 1. Diseño del motor electrónico para transceptores ópticos coherentes, incluido el orden de procesamiento de señales por parte del motor.

Los fundamentos del DSP

Centrándonos ahora en la propia unidad DSP, este módulo realiza el trabajo clave de mapear datos digitales a atributos de señales ópticas y viceversa.

La tecnología central para lograr este mapeo se llama modulación ortogonal, que codifica datos según la amplitud y fase de la señal óptica. Un esquema de modulación ortogonal de cuatro estados se denomina modulación por desplazamiento de fase en cuadratura (QPSK). Variantes más avanzadas, como la modulación de amplitud en cuadratura de 16 estados (16-QAM), pueden alcanzar velocidades de datos más altas.

Como se muestra en la Figura 2, algunas de las funciones principales del DSP incluyen:

• Codificación/decodificación de datos a fase y polarización mediante esquemas de modulación ortogonal.
• Insertar señales piloto para ayudar al receptor en la decodificación. El piloto proporciona una referencia para la fase y la polarización.
• Ecualización adaptativa para compensar la distorsión del espectro de la señal causada por el canal de fibra.
• Compensación de dispersión para contrarrestar el efecto de dispersión que provoca la dispersión del pulso óptico.
• Compensación no lineal para mitigar efectos no lineales como la mezcla de fases propias.
• Conformación espectral utilizando filtros digitales para lograr la máxima utilización del ancho de banda.

Figura 2. Diseño y secuencia de módulos DSP seguidos cuando se transmite y recibe la señal

Últimos avances en tecnología DSP

De cara al futuro, dos direcciones importantes para el avance del DSP son la distancia/eficiencia de transmisión y la eficiencia energética. Tecnologías como la conformación probabilística de constelaciones (PCS) y formatos de modulación más rápidos tienen un futuro brillante.

Como se muestra en la Figura 3, PCS utiliza puntos de constelación de señales de forma no uniforme, transmitiendo más bits con un presupuesto de energía determinado. PCS aporta importantes beneficios, incluida una mayor distancia de transmisión, una mejor tolerancia no lineal y una mayor flexibilidad.

En cuanto a los formatos de modulación, la industria está pasando gradualmente de los primeros sistemas QPSK a modulaciones de orden superior, como 16-QAM y 64-QAM. Sin embargo, se necesitan algoritmos DSP mejorados para manejar la mayor distorsión de estos formatos de modulación de alta densidad.

En términos de eficiencia energética, DSP ha consumido alrededor del 50% de la energía total de los transceptores coherentes. El aumento de la capacidad y el ancho de banda aumentará aún más la demanda de energía para los chips DSP. La potencia del DSP se escala con ancho de banda, formato de modulación, FEC y otras funciones de procesamiento. Por tanto, la optimización inteligente del DSP y sus conexiones eléctricas es crucial para una futura expansión.

Figura 3. Comparación del 16-QAM convencional y la conformación probabilística de constelaciones (PCS) 16-QAM. Fuente de la imagen: Infinera.

Resum

En la última década, la innovación DSP ha sido un catalizador revolucionario para la tecnología de transmisión coherente en redes ópticas. Pero no podemos quedarnos quietos, ya que el tráfico global de Internet continúa creciendo rápidamente impulsado por aplicaciones de gran ancho de banda como el vídeo, la realidad virtual y el Internet de las cosas.

La mejora del DSP en la distancia de transmisión, la eficiencia y el consumo de energía brinda oportunidades importantes para que la industria continúe mejorando los transceptores coherentes. Con el crecimiento de los servicios de gran ancho de banda, DSP seguirá siendo el corazón digital de la red óptica de próxima generación, permitiendo que la capacidad de fibra satisfaga la demanda de datos. La innovación continua de DSP es esencial para evitar la escasez de capacidad y mantener el crecimiento del mundo digital.