Технология DSP в когерентной оптической связи

Абстрактные

Технология когерентной оптической передачи стала неотъемлемой частью высокопроизводительных оптоволоконных сетей на большие расстояния. Эта передовая технология модуляции может кодировать данные по амплитуде, фазе и поляризации света. Ядром каждого когерентного приемопередатчика является сложный процессор цифровых сигналов (DSP), который выполняет обработку сигналов, необходимую для достижения когерентной передачи. В этой статье представлен всесторонний обзор различных функций электронного механизма когерентного приемопередатчика с акцентом на DSP, а также обобщены последние разработки и будущие проблемы технологии DSP.

Введение

За последние десятилетия глобальный интернет-трафик вырос в геометрической прогрессии, удваиваясь каждые два года. Этот устойчивый рост обусловлен огромным спросом на приложения с интенсивным использованием полосы пропускания, такие как потоковое видео, облачные вычисления, социальные сети и большое количество сетевых устройств, управляемых Интернетом вещей (IoT). Чтобы не отставать от стремительного роста объемов данных, поставщики услуг преобразовали базовую сеть оптической передачи данных из простых каналов «точка-точка» в высокоскоростные гибкие ячеистые топологии. Однако использование традиционной технологии оптической передачи ограничивает пропускную способность и расстояние передачи, что становится узким местом для будущего роста.

Технология когерентной передачи появилась как решение, позволяющее базовой сети увеличить объем данных, передаваемых по одному волокну, в 100 раз. Эта усовершенствованная схема модуляции кодирует информацию в три атрибута света: амплитуду, фазу и поляризацию. Когерентная передача открывает возможности и дальность передачи, значительно превосходящие традиционные простые методы включения-выключения.

Ядром каждого когерентного приемопередатчика является сложный процессор цифровых сигналов (DSP), состоящий из специализированных электронных схем и усовершенствованных алгоритмов. DSP выполняет обработку сигнала, необходимую для достижения когерентной передачи, включая кодирование/декодирование данных, компенсацию искажений канала, мониторинг производительности и т. д. Инновация DSP стала катализатором революции в технологии когерентной передачи за последнее десятилетие.

Поскольку глобальный интернет-трафик быстро растет, возможности когерентных технологий также необходимо соответствующим образом улучшать. Улучшение DSP с точки зрения дальности передачи, эффективности и энергопотребления предоставляет отрасли важные возможности для дальнейшего совершенствования когерентных трансиверов для удовлетворения наших потребностей в передаче данных. В этой статье будет представлен всесторонний обзор различных функций электронного механизма когерентного трансивера с упором на DSP. В нем также будут обобщены последние разработки и проблемы технологии DSP.

Электронный двигатель когерентных трансиверов

DSP является частью более крупной электронной системы внутри каждого когерентного трансивера, называемой электронным двигателем. Как показано на рисунке 1, двигатель состоит из следующих ключевых компонентов:

• Схемы аналоговой обработки преобразуют сигналы между аналоговым и цифровым форматами. Передача по оптоволокну представляет собой аналоговые оптические сигналы, а обработка данных — цифровую. Преобразование формата требуется при передаче и приеме сигналов.
• Цифровая обработка сигналов (DSP) кодирует/декодирует данные и компенсирует искажения канала. Это основная функция обработки сигналов.
• Прямая коррекция ошибок (FEC), которая повышает устойчивость к шуму и искажениям. FEC позволяет когерентным каналам обрабатывать ошибки, которые в миллион раз выше, чем у традиционных каналов прямого обнаружения.
• Мост, который преобразует данные между форматами Ethernet и оптической транспортной сети (OTN).
• Склейте логические схемы, такие как микропроцессоры, последовательные/параллельные преобразователи (SERDES) и т. д., для соединения различных модулей.

Каждый модуль электронного двигателя содержит специальные схемы и алгоритмы, что делает его отдельной интеллектуальной собственностью. Поэтому разработка всего двигателя требует опыта в различных областях.

Рис. 1. Схема электронного двигателя когерентно-оптических приемопередатчиков, включая порядок обработки сигнала двигателем.

Основы DSP

Теперь сосредоточимся на самом блоке DSP. Этот модуль выполняет ключевую работу по сопоставлению цифровых данных с атрибутами оптического сигнала и наоборот.

Основная технология достижения такого отображения называется ортогональной модуляцией, которая кодирует данные по амплитуде и фазе оптического сигнала. Схема ортогональной модуляции с четырьмя состояниями называется квадратурной фазовой манипуляцией (QPSK). Более продвинутые варианты, такие как квадратурная амплитудная модуляция с 16 состояниями (16-QAM), могут обеспечить более высокие скорости передачи данных.

Как показано на рисунке 2, некоторые из основных функций DSP включают в себя:

• Кодирование/декодирование данных для преобразования фазы и поляризации с использованием схем ортогональной модуляции.
• Вставка пилот-сигналов для помощи приемнику в декодировании. Пилотный сигнал обеспечивает ссылку на фазу и поляризацию.
• Адаптивная коррекция для компенсации искажений спектра сигнала, вызванных оптоволоконным каналом.
• Компенсация дисперсии для противодействия эффекту дисперсии, вызывающему расплывание оптического импульса.
• Нелинейная компенсация для смягчения нелинейных эффектов, таких как самофазовое смешение.
• Формирование спектра с использованием цифровых фильтров для достижения максимального использования полосы пропускания.

Рисунок 2. Расположение и последовательность модулей DSP при передаче и приеме сигнала

Последние достижения в технологии DSP

Заглядывая в будущее, можно сказать, что двумя важными направлениями развития DSP являются дальность передачи/эффективность и энергоэффективность. Такие технологии, как вероятностное формирование созвездий (PCS) и более быстрые форматы модуляции, имеют блестящее будущее.

Как показано на рисунке 3, PCS использует точки сигнального созвездия неравномерно, передавая больше битов при заданном бюджете мощности. PCS дает значительные преимущества, включая увеличение дальности передачи, лучшую устойчивость к нелинейности и большую гибкость.

Что касается форматов модуляции, отрасль постепенно переходит от ранних систем QPSK к модуляции более высокого порядка, такой как 16-QAM и 64-QAM. Однако необходимы улучшенные алгоритмы DSP, чтобы справиться с повышенными искажениями этих форматов модуляции с высокой плотностью.

С точки зрения энергоэффективности, DSP потребляет около 50% всей энергии когерентных трансиверов. Увеличение емкости и пропускной способности еще больше увеличит потребность в энергии для чипов DSP. Мощность DSP масштабируется в зависимости от полосы пропускания, формата модуляции, FEC и других функций обработки. Поэтому интеллектуальная оптимизация DSP и его электрических соединений имеет решающее значение для будущего расширения.

Рисунок 3. Сравнение обычного 16-QAM и вероятностного формирования созвездия (PCS) 16-QAM. Источник изображения: Infinera.

Итого

За последнее десятилетие инновации в области цифровой обработки сигналов стали революционным катализатором развития технологии когерентной передачи данных в оптических сетях. Но мы не можем стоять на месте, поскольку глобальный интернет-трафик продолжает быстро расти под воздействием приложений с высокой пропускной способностью, таких как видео, виртуальная реальность и Интернет вещей.

Увеличение дальности передачи, эффективности и энергопотребления DSP предоставляет отрасли важные возможности для дальнейшего совершенствования когерентных трансиверов. С ростом услуг с высокой пропускной способностью DSP будет продолжать оставаться цифровым сердцем оптической сети следующего поколения, обеспечивая пропускную способность оптоволокна для удовлетворения спроса на данные. Постоянные инновации DSP необходимы для предотвращения нехватки мощностей и поддержания роста цифрового мира.