Различные технологии системы 100G DWDM

Непрерывное развитие средне- и высокоскоростных услуг в сетях связи выдвинуло более высокие и неотложные требования к пропускной способности существующих сетей связи центров обработки данных (DCI) и городских сетей связи. Эволюция от основной технологии оптической передачи 10/40 Гбит/с к 100 Гбит/с стала тенденцией технологии оптической передачи. После большого количества исследований компания FiberMall пришла к выводу, что технология QSFP28 PAM4 может использоваться для передачи 100G DWDM в пределах 100 км, а методы оптической передачи 100G с фазовой модуляцией и когерентным приемом необходимы для передачи 100G DWDM на расстояние более 100 км.

Среди них наиболее признанной в отрасли является система передачи PM-QPSK с использованием технологии когерентного приема. Различные искажения в канале, такие как хроматическая дисперсия, PMD, несущая частота и сдвиг фазы, могут быть гибко компенсированы в электрическом домене и переконфигурированы в сигналах приемником системы PM-QPSK с использованием технологии цифровой обработки сигналов (DSP). Таким образом, PM-QPSK в сочетании с когерентным обнаружением обеспечивает оптимальное решение, которое большинство поставщиков систем выбирают в качестве схемы передачи на большие расстояния 100G.

Технология DWDM развивалась до все более высоких скоростей модуляции, включая 1.25G NRZ, 2.5G NRZ, 10G NRZ и 25G NRZ. И 50G PAM4, и 100G PAM4 используют модуляцию высокого порядка PAM4, как и конкурентоспособная в настоящее время технология когерентной модуляции DWDM, в основном для 200G и 400G, а также будущих услуг с высокой пропускной способностью 800G.

Оптический модуль 100G DWDM QSFP28 PAM4 подключается непосредственно к соответствующему маршрутизатору или коммутатору центра обработки данных без необходимости использования отдельной платформы преобразователя DWDM, что значительно снижает затраты и упрощает развертывание и обслуживание. Кроме того, с соответствующими модулями компенсации дисперсии (DCM) и системами усиления EDFA модули PAM4 могут быть добавлены к существующим сетям DWDM для гибридной передачи.

Формы продуктов следующего поколения основаны на модуляции высокого порядка PAM4: 50G (1x50G PAM4), 100G (2x50G PAM4) и 100G (1x100G PAM4).

50G (1X50G PAM4) Решение

Оптические модули, использующие решения 50G (1X50G PAM4), включают оптические модули 50G SFP56 DWDM (диапазон C, интервал длин волн 50 ГГц). Продукт использует форм-фактор SFP56, который имеет тот же размер, что и SFP+, и может быть напрямую обновлен до 50G без изменения исходной архитектуры развертывания.

Оптический модуль 50G SFP56 DWDM использует модуляцию 50G PAM4 как на стороне оптического порта, так и на стороне электрического порта, а также использует лазер DWDM EML на передающем конце. Благодаря поддержке компенсации дисперсии DCM и EDFA он может соответствовать требованиям по дальности передачи не менее 80 км. Общая пропускная способность одного волокна поддерживает 96 волн x50G=4800G, а его форма продукта с температурой промышленного класса может удовлетворить потребности передовых систем 5G.

Рис. 1. Принципиальная схема оптического модуля 50G SFP56 DWDM.

100G (2X50G PAM4) Решение

Оптический модуль, использующий решение 100G (2X50G PAM4), включает 100G КСФП28 DWDM (C-диапазон, интервал длин волн 50 ГГц). В отрасли он обычно называется 100G PAM4 QSFP28, а его оптический порт поддерживает сервис 100GE на двух различных длинах волн 2G DWDM. Сторона электрического порта использует 50X4G NRZ, а сторона оптического порта имеет два решения: интерфейсы CS и LC. Интерфейс CS использует 25 оптических волокна, 4 входа и 2 выхода. Схема дуплексного интерфейса LC использует технологию WDM, и для передачи можно использовать 2 оптических волокна. Благодаря поддержке компенсации дисперсии DCM и EDFA он может соответствовать требованиям по дальности передачи не менее 2 км, а общая пропускная способность одного волокна поддерживает 80 волн x96G = 50G.

Рис. 2. Принципиальная схема оптического модуля 100G QSFP28 DWDM (интерфейс CS)

Рис. 3. Принципиальная схема оптического модуля 100G QSFP28 DWDM (интерфейс LC)

100G (1x100G PAM4) Решение

Оптические модули с использованием 100G (1x100G) решения включают 100G QSFP28 DWDM (диапазон C, 100 ГГц). Этот продукт в основном реализован с помощью источника света DWDM + технологии модуляции кремниевого света. Благодаря поддержке DCM + EDFA он может обеспечить передачу на 80 км, а общая пропускная способность одного волокна поддерживает 48 волн x100G = 4800G.

Рис. 4. Принципиальная схема оптического модуля 100G QSFP28 DWDM.

Благодаря своим преимуществам оптические модули PAM4 DWDM обычно используются в конструкциях 100G и 400G, таких как DCI «точка-точка», городской доступ 100G Ethernet на основе DWDM, кампусные и корпоративные каналы, архитектура мобильного доступа 5G и т. д. Для центра обработки данных DCI 80–120 км, технология 50G/100G DWDM, основанная на модуляции высокого порядка PAM4, может конкурировать с когерентным 200GТехнология /100G DWDM для увеличения доли рынка по низкой цене. Как показано в таблице ниже:

пункты	Двухволновое решение 50G PAM4 DWDM	Одноволновое решение 100G PAM4	Согласованное решение DP-QPSK
Потребляемая мощность	О 5.5W	О 5.5W	Выше 20 Вт
Фактор формы	QSFP28	QSFP28	CFP2/CFP
частотное пространство DWDM	50GHz	100GHz	50GHz
Требуется ли ЭДФА?	ДА	ДА	ДА
Компенсация дисперсии DCM	ДА	ДА	НЕТ
RX Допуск OSNR	Очень низкий, до 2 EDFA в каскаде	Очень низкий, до 2 EDFA в каскаде	Высокий, N EDFA можно каскадировать
Типичная общая пропускная способность	96X50G	48X100G	96X100G
Может ли быть реализована одноволоконная/двухволоконная передача	легко	легко	Очень сложно и требует двух разных источников света ITLA.
Расстояние передачи	80км~120км	80км~100км	Далеко больше 80км

Таблица 1: Система 50G PAM4 DWDM VS система 100G PAM4 DWDM VS когерентная система 100G DWDM

100G DWDM DCO QSFP28 Области применения печатных плат

Территория 100G DWDM DCO QSFP28 Оптический модуль соответствует стандарту SFF-8636 (QSFP28 MSA), что обеспечивает совместимость с коммутаторами, поддерживающими порты QSFP28. Он объединяет цифровую когерентную оптику (DCO) со встроенным цифровым сигнальным процессором (DSP), что позволяет использовать форматы когерентной модуляции, такие как QPSK, что делает его пригодным для передачи DWDM на большие расстояния. Для расстояний в пределах 40 км не требуется EDFA (усилитель волокон с легированием эрбием) — нужны только пассивные компоненты DWDM, такие как Mux/Demux. Для соединений длиной 80 и 120 км необходимы EDFA: повышающий усилитель на передатчике и предварительный усилитель на приемнике для компенсации затухания сигнала. DSP также выполняет внутреннюю компенсацию хроматической дисперсии, устраняя необходимость во внешнем DCM (модуле компенсации дисперсии) или TDCM (настраиваемом DCM).

Модуль совместим с основными коммутаторами 100G Ethernet, такими как Cisco Nexus, Arista 7050X, Juniper QFX и Edgecore, без привязки к поставщику, если коммутатор поддерживает стандарт SFF-8636. Он поддерживает стандартные сетки DWDM ITU (например, C-диапазон, разнесение 50 ГГц или 100 ГГц), что делает его пригодным для сетей DWDM «точка-точка» или многопролетных сетей. Типичные области применения включают в себя межсетевое взаимодействие центров обработки данных (DCI), городские сети (MAN) и передачу на большие расстояния. В кластерах AI/HPC он поддерживает соединения с высокой пропускной способностью и малой задержкой.

Сравнение с 100G (2x50G PAM4) DWDM QSFP28 и 100G Single Wave PAM4 DWDM QSFP28

Особенность	100G DWDM DCO QSFP28	100G (2x50G PAM4) DWDM QSFP28	100G одноволновый PAM4 DWDM QSFP28
Модуляция	Когерентный (например, DP-QPSK)	2x50G PAM4 (некогерентный)	Одноволновый PAM4 (некогерентный)
Длина волны/Канал	Одна длина волны (сетка DWDM ITU)	Двойная длина волны (2x50G)	Одна длина волны (100 Гбит/с)
Компенсация дисперсии	Интегрирован в DSP, не требуется DCM/TDCM	Требуется внешний DCM/TDCM	Требуется внешний DCM/TDCM
Расстояние передачи (без EDFA)	≤40 км (пассивный DWDM)	≤40 км (в зависимости от модуля)	≤40 км (в зависимости от модуля)
Требование EDFA	80 км/120 км требуется усилитель + предварительный усилитель	Может потребоваться EDFA >40 км	Может потребоваться EDFA >40 км
потребляемая мощность	Выше (~4.5–5 Вт из-за DSP)	Ниже (~3.5–4 Вт)	Самая низкая (~3–3.5 Вт)
Сложность/Стоимость	Высокий (интеграция DSP)	Средний (требуется DCM/TDCM)	Нижний (более простая конструкция)
Типичный вариант использования	Дальнемагистральный DCI, MAN	Средне-короткий DCI	Короткие DCI или высокоплотные соединения

Ключевые отличия

Модуль DCO QSFP28 использует когерентную модуляцию (например, DP-QPSK) и обработку сигнала на основе DSP, обеспечивая превосходную устойчивость к дисперсии и производительность на больших расстояниях, идеально подходит для соединений 80–120 км. Напротив, модуль 2x50G PAM4 использует двухволновую модуляцию PAM4 и требует внешнего DCM/TDCM для компенсации дисперсии, что делает его пригодным для приложений средней дальности. Модуль Single Wave PAM4 с его простой конструкцией и самым низким энергопотреблением лучше всего подходит для развертываний на короткие расстояния или с высокой плотностью, хотя он имеет ограниченную устойчивость к дисперсии.

Хотя все три модуля могут работать без EDFA на расстояниях до 40 км с использованием пассивных компонентов DWDM, для больших расстояний (80–120 км) требуются EDFA. Модулю DCO явно нужны как усилители, так и предварительные усилители, в то время как модули PAM4 могут также потребовать усиления в зависимости от их оптического бюджета и потерь в линии связи.

С точки зрения мощности и стоимости, модуль DCO потребляет больше мощности (~4.5–5 Вт) из-за своего DSP, но обеспечивает лучшую производительность. Модули PAM4 более энергоэффективны (3–4 Вт) и экономичны, но могут повлечь за собой дополнительные системные расходы из-за необходимости DCM/TDCM.

Использование на коммутаторах Ethernet 100G

Модуль 100G DWDM DCO QSFP28 совместим с коммутаторами, поддерживающими порты QSFP28 и стандарт SFF-8636, такими как Cisco Nexus 9300, Arista 7050X, Juniper QFX5200 и Edgecore AS7712-32X. Совместимость зависит от поддержки прошивки и конфигурации порта. Например, для Cisco Nexus 9300 требуется версия NX-OS 7.x или более поздняя для поддержки модулей DWDM DCO. Cisco обычно не требует дополнительных лицензий для базового использования, но для расширенных функций, таких как IPoDWDM или TXP/MXP, могут потребоваться лицензии Advantage или Premier. Arista и Juniper обычно не требуют специальных лицензий, но может потребоваться подтверждение поддержки DCO в их NOS (например, SONiC).

Для соединений ≤40 км пассивный DWDM Mux/Demux (например, 8/16/40 каналов) может использоваться без EDFA. Для 80 км или 120 км для поддержания целостности сигнала необходим усилитель Boost Amplifier на передатчике и предварительный усилитель на приемнике.

Практические рекомендации по развертыванию

Модуль DCO QSFP28 идеально подходит для передачи на большие расстояния (40–120 км), например, в сценариях DCI или MAN, где требуется упрощенная конструкция системы и высокая надежность. Его DSP обеспечивает отличную устойчивость к дисперсии и шуму. Напротив, модули 2x50G и Single Wave PAM4 лучше подходят для развертываний на короткие расстояния (≤40 км) или для чувствительных к стоимости развертываний. Эти модули подходят для сетей с существующей инфраструктурой DWDM и могут выдерживать дополнительную сложность DCM/TDCM. Single-Wave PAM4 особенно подходит для высокоплотных соединений на короткие расстояния в центрах обработки данных.

В средах AI/HPC модули DCO QSFP28 используются для соединений с низкой задержкой и высокой пропускной способностью между центрами обработки данных, часто в сочетании с DPU, такими как NVIDIA BlueField, для повышения производительности сети. Модули PAM4 больше подходят для экономически эффективных архитектур spine-leaf в центрах обработки данных.

Модуль 100G DWDM DCO QSFP28 соответствует стандарту SFF-8636, совместим с основными коммутаторами 100G и имеет встроенный DSP для компенсации дисперсии. Он не требует EDFA для ≤40 км и использует Boost + Pre-Amplifier для 80–120 км, что делает его идеальным для DCI на большие расстояния. Модули на основе PAM4, хотя и имеют более низкую стоимость и энергопотребление, требуют внешнего DCM/TDCM и лучше подходят для приложений на короткие расстояния или с высокой плотностью. Совместимость с коммутаторами, такими как Cisco, Arista и Juniper, как правило, высокая, хотя требования к прошивке и лицензированию должны быть проверены.

Критические технологии схемы 100G Coherent DP-QPSK

Поляризационное мультиплексирование с квадратурной фазовой манипуляцией (PM-QPSK)

QPSK — это метод многомерной (четвертичной) цифровой частотной модуляции. Синусоидальная несущая его сигнала имеет 4 возможных состояния дискретной фазы, и каждая фаза несущей несет 2 двоичных символа. PM-QPSK делит один сигнал 100G на два несущих сигнала 50G с разными состояниями поляризации и выполняет модуляцию QPSK на каждой несущей. Таким образом, этот метод может уменьшить скорость передачи канала вдвое. В то же время, поскольку каждое состояние поляризации может использовать 4 фазы для представления битовой информации, можно уменьшить скорость передачи канала вдвое. Следовательно, после кодирования PM-QPSK скорость передачи данных может быть снижена до четверти скорости передачи данных.

Ниже приведена схема метода кодирования PM-QPSK:

Рисунок 5: Схематическая диаграмма кодирования PM-QPSK

SD-FEC

Технология FEC широко используется в оптических системах связи. Разные FEC могут обеспечивать разную производительность системы. В соответствии с различными методами обработки принятых сигналов FEC можно разделить на коды с жестким и мягким решением.

Код с жестким решением — это метод декодирования, основанный на традиционной точке зрения кода с исправлением ошибок. Демодулятор сначала принимает наилучшее твердое решение о выходном значении канала. Избыточность FEC жесткого решения составляет около 7%, что нашло широкое применение в области оптической связи.

Декодирование с мягким решением полностью использует информацию о форме сигнала, выводимую каналом. Демодулятор отправляет выходные данные согласованного фильтра в декодер, то есть декодеру с мягким решением нужны не только кодовые потоки «0/1», но и «мягкая информация» для описания надежности этих кодовых потоков. Чем дальше от порога принятия решения, тем выше надежность решения, в противном случае надежность ниже.

Чтобы отразить степень дистанции, необходимо более тонко разделить пространство суждения. Помимо деления порога «0/1», пространства «0» и «1» также разделены «порогом достоверности», чтобы проиллюстрировать относительное положение точки решения в пространстве решений. По сравнению с жестким решением мягкое решение содержит больше информации о канале. Декодер может в полной мере использовать эту информацию посредством вероятностного декодирования, чтобы получить большую эффективность кодирования, чем при декодировании с жестким решением.

OIF рекомендует для 100G выбирать кодирование с прямым исправлением ошибок с мягким решением (SD-FEC) с избыточностью менее 20%. В этом случае чистый выигрыш от кодирования может достигать примерно 10.5 дБ. Использование технологии SD-FEC 100G позволяет достичь того же уровня дальности передачи, что и 10G.

Когерентная технология

Когерентность относится к механизму демодуляции, в котором волны имеют одинаковую величину вибрации, одинаковое направление и частоту вибрации и фиксированное соотношение фаз. Это метод обнаружения, при котором несущая модулированного сигнала умножается на полученный модулированный сигнал, а затем модулированный сигнал получается путем фильтрации нижних частот.

Когерентное обнаружение определяет интенсивность, фазу и частотно-модулированные оптические беспроводные сигналы. Оптический сигнал смешивается с гетеродином лазера (LO) на приемном конце перед входом в оптический приемник, в результате чего получается промежуточная частотная составляющая, равная разнице между частотой гетеродина и частотой исходного источника света.

По сравнению с прямым обнаружением когерентное обнаружение склонно к получению большого отношения сигнал/шум. Он имеет больше типов восстанавливаемых сигналов и лучшую избирательность по частоте, что больше подходит для систем DWDM. Цифровой когерентный приемник преобразует все оптические свойства оптического сигнала в электрическую область посредством фазового и поляризационного разнесения. Он также использует развитую технологию DSP для достижения поляризационного демультиплексирования и компенсации повреждения линейности канала в электрической области. Все это упрощает конструкцию компенсации оптической дисперсии и демультиплексирования поляризации в канале передачи, чтобы уменьшить и устранить зависимость от компенсаторов оптической дисперсии и волокон с низким PMD.

Однако цифровой когерентный приемник переносит сложность конструкции канала передачи на приемник. Цена получения лучших свойств обнаружения при когерентном обнаружении заключается в том, что сложность системы значительно возрастает, и ей не хватает гибкости.

Улучшение сетей DWDM с помощью когерентных модулей 100G

Внедрение когерентных модулей 100G произвело революцию в системах Dense Wavelength Division Multiplexing (DWDM), обеспечив высокую пропускную способность оптической передачи на большие расстояния для удовлетворения потребностей современных сетей. Эти модули используют передовые методы модуляции, такие как Polarization-Multiplexed Quadrature Phase-Shift Keying (PM-QPSK), в сочетании с когерентным обнаружением и цифровой обработкой сигналов (DSP) для обеспечения надежной производительности. Компенсируя такие нарушения, как хроматическая дисперсия и дисперсия поляризационного режима (PMD) в электрической области, когерентные модули 100G обеспечивают целостность сигнала на расстояниях, превышающих 1000 км, что делает их идеальными для межсоединений центров обработки данных (DCI), городских сетей и приложений дальней связи. Их высокая спектральная эффективность и совместимость с существующей инфраструктурой DWDM делают их краеугольным камнем для операторов, стремящихся эффективно масштабировать полосу пропускания.

Когерентные модули 100G, обычно размещаемые в компактных форм-факторах, таких как CFP или CFP2, обеспечивают замечательную гибкость для модернизации сети. Оснащенные настраиваемыми лазерами, согласованными с сеткой ITU DWDM (разнос 50 ГГц или 100 ГГц), эти модули обеспечивают динамическое распределение длин волн, упрощая управление сетью и сокращая затраты на запасные инвентарные запасы. Например, когерентные модули CFP100-DCO 2G от FiberMall поддерживают до 120 каналов в C-диапазоне, обеспечивая плавный путь обновления с систем 10G или 40G без необходимости значительных изменений инфраструктуры. В сочетании с усилителями на основе легированного эрбием волокна (EDFA) и модулями компенсации дисперсии (DCM) эти модули обеспечивают надежную производительность как для городских, так и для магистральных сетей, удовлетворяя растущие потребности облачных вычислений, транзитной связи 5G и корпоративной связи.

Схемы внедрения когерентных модулей 100G в системах DWDM

Чтобы в полной мере использовать возможности когерентных модулей 100G, сетевые операторы могут внедрять индивидуальные схемы, соответствующие конкретным сценариям использования и оптимизирующие производительность.
Схема 1: Metro DCI Deployment фокусируется на развертывании когерентных модулей 100G в межсоединениях ЦОД в городских районах. Интегрируя эти модули с реконфигурируемыми оптическими мультиплексорами ввода-вывода (ROADM), операторы могут добиться гибкой маршрутизации длин волн для высокоскоростных соединений с низкой задержкой на расстоянии более 80–120 км. Эта схема поддерживает до 9.6 Тбит/с на пару волокон (96 каналов на 100G), что делает ее идеальной для гипермасштабируемых ЦОД с высокими требованиями к трафику.

Схема 2: Передача на большие расстояния с когерентным обнаружением использует когерентные модули 100G вместе с усовершенствованной прямой коррекцией ошибок (FEC) и EDFA для увеличения расстояния передачи свыше 1500 км. Этот подход хорошо подходит для междугородних сетей, где качество сигнала поддерживается за счет компенсации на основе DSP, что снижает потребность в дорогостоящих регенераторах.

Схема 3: Гибридные обновления сети 10G/100G позволяют операторам интегрировать когерентные модули 100G в существующие системы 10G DWDM, предлагая экономически эффективный путь к более высокой емкости. Используя гибкие сеточные ROADM, операторы могут выделять каналы 50 ГГц для модулей 100G, сохраняя каналы 10G на том же волокне, достигая общей емкости до 8 Тбит/с (80 каналов 100G). Эта схема особенно эффективна для операторов, желающих постепенно масштабировать свои сети без капитального ремонта устаревшей инфраструктуры.

Схема 4: Оптимизация обратного соединения 5G использует когерентные модули 100G для поддержки требований сетей 5G к высокой пропускной способности и низкой задержке. Развертывая эти модули в городских кольцах с настраиваемыми длинами волн, операторы могут динамически регулировать емкость для соответствия изменяющимся моделям трафика, обеспечивая надежное подключение для мобильных периферийных вычислений и корпоративных приложений.

Универсальность когерентных модулей 100G позиционирует их как критически важный компонент для построения масштабируемых, готовых к будущему сетей DWDM. Их интеграция передовых DSP и энергоэффективных компонентов, таких как те, что используются в когерентных модулях 100G FiberMall, обеспечивает высокую производительность при соблюдении целей устойчивого развития. Принимая эти схемы внедрения, операторы могут удовлетворять разнообразные сетевые требования, от высокоплотного DCI до подключения на большие расстояния, одновременно готовясь к будущим обновлениям до систем 200G или 400G. Поскольку требования к полосе пропускания продолжают расти, когерентные модули 100G обеспечивают надежное и экономически эффективное решение для предоставления оптических сетей высокой емкости.

Основные принципы реализации 100G

Основной принцип работы линейного передатчика 100G

Целью разработки оптического модуля на стороне линии 100 Гбит/с является применение оптической передачи на большие расстояния и поддержка передачи на стороне линии оборудования DWDM OTU4. На следующем рисунке показана блок-схема передающей стороны оптического модуля на стороне линии 100 Гбит/с.

Рис. 6. Принципиальная схема передатчика оптического модуля для тестирования линии 100 Гбит/с.

Как показано на рисунке, непрерывный световой поток встроенного перестраиваемого лазера (ITLA) направляется в модулятор QPSK, который становится двумя световыми волнами после того, как PBS генерируется устройством разделения поляризации в модуляторе. Каждый поляризованный свет модулируется модулятором QPSK, а MUX генерирует сигналы ввода и вывода при модуляции сигнала. Широкополосный усилитель и драйвер усиливают входные и выходные сигналы и подают их на модулятор для создания электрооптической модуляции.

Модулированные два сигнала QPSK синтезируются с помощью PBC, и выводится сигнал, мультиплексированный с поляризацией PM-QPSK. Для модулятора QPSK (Modulator) также необходимо выполнять управление с обратной связью (управление смещением MZ) для нескольких точек смещения фазы I, Q и Pi/2 посредством управления с обратной связью, чтобы модулятор QPSK мог стабильно работать в течение длительного времени при нормальном состоянии смещения. Кроме того, передающий блок также кодирует служебные данные, подлежащие передаче через кодер SD-FEC, и вводит их в MUX(X) и MUX(Y). Он генерирует 4-канальные последовательные данные с использованием параллельного преобразования в последовательный и выводит их на драйвер.

Основной принцип принимающей стороны

Как показано на рисунке ниже, оптический сигнал PM-QPSK принимается блоком когерентного приема оптического модуля после передачи на большие расстояния. Оптический сигнал делится на два взаимно ортогональных поляризованных оптических сигнала с помощью поляризационного светоделителя, обозначенных как направление X и направление Y. Оптические сигналы в двух направлениях когерентно смешиваются под углом 90 градусов (900Hybrid) с соответствующим поляризованным светом гетеродина. Выходной сигнал частоты смешения подвергается фотоэлектрическому преобразованию через сбалансированный фотоэлектрический детектор, а затем дискретизируется и квантуется АЦП для завершения аналого-цифрового преобразования. Наконец, дискретная цифровая последовательность после дискретизации и квантования отправляется в блок DSP для обработки.

Рисунок 7: Блок-схема приемника оптического приемопередатчика на стороне линии 100 Гбит/с.

В DSP цифровой сигнал синхронизируется обработкой восстановления тактовой частоты. Демультиплексирование поляризации и устранение ухудшения CD, PMD и частичного нелинейного эффекта реализуются путем выравнивания электрических доменов. Разница частот между источником света локального колебания и передающей оптической несущей, а также влияние фазового шума устраняются путем оценки смещения частоты и соответствующей обработки суждения. Затем обработанные данные отправляются в блок декодера SD-FEC для декодирования, и, наконец, восстанавливается сигнал данных.

Основной принцип алгоритма DSP

Блок DSP завершает алгоритм DSP, который в основном разделен на пять подфункций: восстановление тактовой частоты, выравнивание с поляризационным демультиплексированием, оценка несущей, оценка фазы, слайсер и декодер. Его функциональная блок-схема показана на следующем рисунке.

Рисунок 8: Блок-схема блока цифровой обработки сигналов

Далее будет представлен каждый блок на блок-схеме:

• Восстановление цифровых часов

Цель восстановления цифровых часов заключается в том, что, поскольку тактовая частота дискретизации АЦП независима от тактовой частоты символов передающего конца, необходимо использовать время выборки символов приемников интерполяционного фильтра. Это позволяет синхронизировать настроенную тактовую частоту дискретизации приемника с тактовой частотой передающего символа, то есть гарантировать, что частота дискретизации АЦП точно соответствует частоте символов.

• Выравнивание и поляризационное демультиплексирование

Выравнивание и поляризационное демультиплексирование выполняются на одной поляризации. Функция коррекции заключается в устранении перекрестных помех сигнала, вызванных линейным фактором канала. Это может быть реализовано с помощью КИХ с фиксированными или переменными коэффициентами отвода, в то время как поляризационное демультиплексирование должно быть реализовано с помощью фильтра-бабочки. Поляризационное демультиплексирование предназначено для разделения двух поляризованных сигналов. Это связано с тем, что при передаче сигнала между двумя поляризациями возникают перекрестные помехи (вызванные поляризационной связью). А из-за поворота поляризации поляризация сигнала после ФБС на приемном конце не соответствует исходной поляризации.

•  Оценка смещения несущей частоты

Из-за неидеальных характеристик лазера частота колебаний локального генератора лазера в оптическом когерентном приемнике может иметь отклонение от несущей частоты. Это смещение частоты отражается в символе, который является смещением фазы. Для системы фазовой модуляции, такой как PM-QPSK, смещение фазы, вызванное смещением частоты, должно быть устранено до того, как станет возможным демодуляция конечного символа данных. Поэтому оценка смещения частоты является незаменимым модулем для приемников. Принцип заключается в обнаружении размера смещения частоты, а затем выполнении коррекции фазы на символе для устранения влияния смещения частоты в соответствии с оценочным значением смещения частоты.

Рисунок 9: оценка смещения несущей частоты

• Оценка смещения фазы несущей

Из-за ширины линии лазера происходит некоторый сдвиг фазы вблизи его истинной частоты колебаний. Принимая во внимание погрешность оценки смещения частоты, сдвиг фазы символа после оценки смещения частоты все еще существует. Это смещение изменяется со временем, что может охватывать все диапазоны от 0 до 2π. Целью восстановления фазы несущей является удаление этой части смещения фазы, чтобы фаза выходного символа могла быть напрямую использована для принятия решения о символе. Основной принцип оценки фазы несущей заключается в том, что неожиданное смещение фазы информации получается и удаляется из каждого символа.

• Декодирование и восстановление данных

Для QPSK после восстановления фазы сигнала можно получить два поляризованных сигнала I и Q в соответствии с правилом фазовой модуляции. Для DQPSK после восстановления фазы сигнала необходимо вычесть фазы двух символов, чтобы получить два поляризованных сигнала I и Q.

Технические особенности и преимущества системы 100G

Как мы все знаем, любое увеличение одноканальной скорости будет ограничено ухудшением качества передачи, включая допуск OSNR, хроматическую дисперсию, PMD и нелинейность. Следовательно, требуются более совершенные технологии для уменьшения влияния этих ухудшений передачи. 100G объединяет несколько технологий, таких как поляризационное мультиплексирование, фазовая модуляция, супер FEC, когерентное обнаружение и DSP. Характеристики текущих технологических решений 100G следующие:

• Благодаря использованию технологии поляризационного мультиплексирования и взаимной ортогональности между двумя состояниями поляризации оптического сигнала два канала информации передаются на одном и том же оптическом носителе. При этом скорость передачи символов сигнала снижается вдвое. Сочетание когерентного обнаружения с АЦП и DSP также является ключевым технологическим прорывом в 100G. По сравнению с прямым детектированием и самокогерентной демодуляцией комбинация когерентного детектирования и технологии цифровой обработки сигналов может эффективно повысить эффективность демодуляции и чувствительность приемника.
•  Технология QPSK может удвоить объем информации, переносимой оптическим носителем, а ее сочетание с поляризационным мультиплексированием снижает скорость передачи сигнала 100G примерно до 25 Гбод/с. Таким образом, QPSK может применяться в системе OTN с интервалом 50 ГГц и может снизить требования к сигналу для устойчивости к нелинейности волокна.
• Технология 100G может эффективно повысить эффективность кодирования с помощью решения LDPC (код с проверкой на четность с низкой плотностью) и метода мягкого решения.
• Сочетание когерентного обнаружения с АЦП и DSP также является ключевым технологическим прорывом в 100G. По сравнению с прямым детектированием и самокогерентной демодуляцией комбинация когерентного детектирования и технологии цифровой обработки сигналов может эффективно повысить эффективность демодуляции и чувствительность приемника.

Заключение

Для соединения центров обработки данных (DCI) на расстоянии передачи 100 км FiberMall предлагает решения 100G (2x50G PAM4) DWDM QSFP28 и 100G (1x100G PAM4) DWDM QSFP28. Для городских сетей расстояние передачи составляет более 100 км. FiberMall предлагает два решения для дальней связи: от 1x 100G QSFP28 до 1x 100G CFP-CDO и от 2x 100G QSFP28 до 1x 200G CFP2 DP-8QAM или DP-16QAM. Благодаря совместным усилиям всех сотрудников FiberMall технология 100G DWDM стала очень зрелой и получила широкое распространение в центрах обработки данных и городских сетях по всему миру.