التقنيات الأساسية في 400G QSFP-DD AOC: PAM4 و DSP

لدعم معدل الإرسال البالغ 400 جيجابت / ثانية ، يمكن أن يقلل وضع الإرسال ذي 4 قنوات x100 جيجابت / ثانية باستخدام تعديل PAM من تعقيد التصميم واستهلاك الطاقة لجهاز الإرسال والاستقبال. وتجدر الإشارة إلى أنه بالمقارنة مع مُعدِّلات Mach-Zehnder (MZMs) الخارجية القائمة على التعديل ، فإن مخططات التعديل الداخلية باستخدام الليزر المعدل بالامتصاص الكهربائي (EMLs) والليزرات المعدلة مباشرة (DMLs) هي أقل تكلفة وأبسط في التصميم.

لكن اثنين من الاختناقات تحد من أداء النظام: تقييد عرض النطاق الترددي للتضمين للجهاز الإلكتروني البصري ومشكلة الضعف غير الخطي أثناء التعديل وإزالة التشكيل. تم اقتراح العديد من طرق معالجة الإشارات الرقمية (DSP) لمعالجة هذين المحددين ، مثل معادلة التغذية الراجعة للحكم ، ومعادلة فولتيرا غير الخطية ، وما إلى ذلك ، وكلها تتطلب درجة عالية من التعقيد الحسابي في جانب المستقبل.

تقنية PAM4

نظرًا لمتطلبات تقنية 400G ، من الضروري تطبيق متطلبات معدل 56G أو 112G أحادية القناة ، لكن تكلفة إدخال الانعكاس وفقد القناة لإشارات 56G / 112G مرتفعة للغاية ، كما أن التسامح مع الحديث المتبادل للقناة يقل بشكل كبير . يصعب اختراق تقنية NRZ الحالية عبر معدل نقل 56G أحادي القناة. لذلك ، أدخلت الصناعة تقنية PAM4 لحلها.

PAM4 هي نوع من تقنية تعديل سعة النبض. تتضمن طرق التعديل الخاصة به طرق تنفيذ DAC الرقمية المستندة إلى DSP وطرق Combine القائمة على التناظرية. يمكن أن يعمل الوضع التناظري السائد عن طريق إضافة قناتين من إشارات NRZ ، ويستند النموذج الرقمي على DAC عالي السرعة لإخراج سريع بمستويات 0/1/2/3.

كما هو مبين في الشكل ، يتم تشكيل PAM4 بواسطة سعة ذات أربعة مستويات ، ويمكن لكل قيمة مستوى أن تحمل معلومات ثنائية البت ، على حساب كونها أكثر حساسية للضوضاء. إذا نظرنا إلى مخطط العين لإشارة NRZ ، بافتراض أن فترة البت هي T والسعة A ، فإن عرض النطاق الترددي للقناة هو معكوس فترة البت (1 / T). كلما زاد معدل البت ، كلما كانت فترة البت أصغر وزاد عرض النطاق الترددي للإشارة. هناك أيضًا متطلبات نسبة الإشارة إلى الضوضاء (SNR) ، والتي تتعلق بسعة الإشارة. إذا نظرنا رأسيًا ، فكلما كان فتح مخطط العين أصغر ، زاد صعوبة التمييز بين الإشارة الأصلية والمستقبل عند نسبة إشارة إلى ضوضاء ثابتة.

الشكل 1: رسم تخطيطي لمبدأ PAM4

هل هناك طريقة أخرى لمضاعفة معدل البت؟ إحدى الطرق هي إجراء تسلسل للدفقات ثنائية البت. استخدم قناة واحدة بسرعة 56 جيجابت / ثانية بدلاً من قناتين بسرعة 28 جيجابت / ثانية. لذلك في دورة معدل 28 جيجابت / ثانية الأصلية ، يصل المعدل الحالي إلى 56 جيجابت / ثانية. كما يتضح من مخطط العين للإشارة ML ، فإن اتساعها لا يزال A ، لكن الفترة تصبح T / 2. إذا كانت فترة البتات متبادلة ، يتم الحصول على عرض نطاق الإشارة 2 / T. يبقى A دون تغيير ، أي أن نسبة الإشارة إلى الضوضاء تظل دون تغيير ، ولكن عرض النطاق الترددي للإشارة يتضاعف.

نحن بحاجة إلى طريقة لمضاعفة معدل البت دون زيادة عرض النطاق ، وهذا هو المكان الذي يتفوق فيه PAM4. مخطط العين لـ PAM4 غير عادي ، مع 3 عيون مفتوحة و 4 اتساعات عند النظر إليها طوليًا ، مع فترة رمز T. ومع ذلك ، فإن نطاق فتح كل عين هو A / 3 ، ومتطلبات النطاق الترددي المقابلة هي 1 / T. بهذه الطريقة ، نحصل على إشارة 56 جيجابت / ثانية ، وهو نفس عرض النطاق الترددي M أو L للإشارة أحادية القناة 28 جيجابت / ثانية ، لكن نسبة الإشارة إلى الضوضاء مرتبطة بـ A / 3 ، لذلك فإن PAM4 لديها تجارة-off بين نسبة الإشارة إلى الضوضاء وعرض النطاق الترددي للإشارة.

العديد من الوصلات التسلسلية مقيدة بعرض النطاق الترددي ، لذلك من الصعب زيادة 28 جيجابت / ثانية بتقصير فترة البت. ومع ذلك ، عندما يكون هناك مجال لـ SNR ، يكون اختيارًا جيدًا للتضحية بجزء من تكلفة SNR في مقابل مخطط PAM4 بمعدل مضاعف.

Wقبعة هي تقنية DSP؟

بالنسبة لأنظمة الاتصالات الضوئية قصيرة المسافة ، فإن العوامل الرئيسية التي يجب أخذها في الاعتبار هي: 1) التشتت اللوني ، أي أن الأطوال الموجية المختلفة تتوافق مع سرعات مجموعة مختلفة ، مما يؤدي إلى توسيع النبض وتشويه الإشارة. لذلك ، يتم اختيار النطاق O مع تشتت لوني أصغر لطول موجة العمل ؛ 2) تأثير الترشيح المنخفض التردد الناتج عن عدم كفاية عرض النطاق الترددي للجهاز ؛ 3) دوران الاستقطاب. نظرًا لمسافة الإرسال القصيرة ، لا يؤخذ في الاعتبار تشتت أسلوب الاستقطاب. يمكن تعويض التأثير الذي تحدثه هذه العوامل بواسطة DSP.

DSP هي تقنية معالجة الإشارات الرقمية ، وتشير رقاقة DSP إلى الشريحة التي يمكنها تحقيق تقنية معالجة الإشارات الرقمية. إنه معالج دقيق سريع وقوي. الميزة الفريدة هي أنه يمكنه معالجة البيانات في الوقت الفعلي. يعتمد الجزء الداخلي من شريحة DSP على هيكل Harvard مع برامج وبيانات منفصلة ويحتوي على مضاعف أجهزة مخصص ، والذي يمكن استخدامه لتنفيذ خوارزميات معالجة الإشارات الرقمية المختلفة بسرعة. في سياق العصر الرقمي ، أصبح DSP جهازًا أساسيًا في مجالات الاتصالات وأجهزة الكمبيوتر والإلكترونيات الاستهلاكية.

في نظام الاتصال البصري قصير المسافة ، تتمثل الوظائف الرئيسية لجهاز الإرسال DSP في:

1) تكنولوجيا التشفير FEC (تصحيح الخطأ الأمامي). مبدأها الأساسي هو استخدام طريقة التشفير الزائد ، والتي لها ميزة التصحيح التلقائي لأخطاء الإرسال.

2) تعيين بت إلى رمز

3) إعادة أخذ العينات

4) تشكيل النبض

5) لجنة المساعدة الإنمائية

الوظائف الرئيسية لجهاز استقبال DSP هي:

1) أدك

2) إعادة أخذ العينات

3) إعادة التوقيت

4) المعادل التكيفي ، الذي يضبط معاملاته تلقائيًا بناءً على قياس خصائص القناة للتكيف مع التغييرات في خصائص القناة ، وتعويض الإشارة ، والقضاء على التداخل بين الرموز

5) فك تشفير FEC

قارنا متطلبات تكوين DSP المقابلة لثلاث طرق تعديل مختلفة. تنسيقات التعديل الثلاثة هي (1) PAM ؛ (2) CAP (الاتساع دون الموجة الحاملة وتشكيل الطور) ؛ (3) DMT (تعديل منفصل متعدد النغمات). يظهر تكوين DSP المطابق لطرق التعديل الثلاثة في الشكل التالي.

الشكل 2 - تكوين DSP المقابل لطرق التشكيل الثلاث

بالنسبة إلى PAM ، تُستخدم وظائف تشكيل النبضة والتشديد المسبق في جهاز الإرسال للتعويض عن قيود عرض النطاق الترددي لـ DAC وعدم الخطية لجهاز الإرسال. يستخدم المعادل التكيفي في المستقبل للتعويض عن الخسائر في المرسل والقناة.

بالنسبة لـ CAP ، يستخدم جهاز الإرسال مرشحين تشكيل لتشكيل إشارة تعديل اتساع التربيع (QAM). تشبه وظيفة التحسين المسبق تلك الموجودة في تشفير PAM ، والتي تُستخدم أيضًا للتعويض. في الطرف المستقبل ، يتم تقسيم الإشارة إلى قناتين للمعالجة ، وأخيراً ، يتم تصنيع إشارة QAM.

أما بالنسبة لـ DMT ، فهي تتميز بكفاءة طيفية عالية ، وتحمل عالي للضياع ، وترميز مرن. على جانب الإرسال ، تقوم وظيفة S / P بتحويل المعلومات التسلسلية إلى كتل متوازية. تقوم وظيفة IFFT بتحويل الإشارة إلى المجال الزمني. يمكن تجنب التداخل بين الكتل المتوازية عن طريق إضافة بادئة دورية. في الطرف المستقبل ، هي العملية العكسية لوظيفة نهاية الإرسال.

يؤثر تعقيد DSP بشكل مباشر على تكلفة واستهلاك الطاقة للوحدات الضوئية. تحتوي طرق التعديل الثلاثة على بعض وحدات DSP الشائعة ، بما في ذلك ترميز FEC ، وتعيين / إزالة الخرائط ، و DAC ، و ADC ، وما إلى ذلك. وبالمقارنة ، تتطلب طريقة PAM عددًا أقل من الوحدات ، ويتطلب كل من CAP و DMT وحدات ترشيح إضافية ، والتي تكون أكثر تعقيدًا. تتم مقارنة إيجابيات وسلبيات طرق التعديل هذه في الجدول التالي.

الجدول 1: مقارنة بين مزايا وعيوب تنسيقات التعديل الثلاثة

RS تعني حساسية المستقبل ، RIN تعني ضوضاء الكثافة النسبية. بالمقارنة ، طريقة PAM-4 هي الخيار الأفضل ، يمكنها تحقيق اتصال بصري قصير المدى ببساطة ، ولها أداء ممتاز. في الوقت الحاضر ، تعتمد معظم الوحدات البصرية التجريبية 400 جيجا على طريقة PAM-4.

جزء مهم جدًا من 400G QSFP-DD AOC هو تصميم دائرة استعادة الإشارة. في الماضي ، كانت استعادة الإشارة تستخدم دوائر CDR (استعادة البيانات والساعة). في واجهة التحويل الكهربية الضوئية ، تمر الإشارة التسلسلية عالية السرعة عبر لوحة الدائرة عالية الخسارة ، مما يؤدي إلى تدهور خطير في جودة الإشارة. يتم استرداد الإشارة بواسطة PAM4 CDR ، وبالتالي الحصول على ساعة وبيانات ذات اهتزازات منخفضة. في واجهة التحويل الكهروضوئية ، نظرًا لفقدان إدخال المغير الكهروضوئي وفقدان الإرسال للألياف الضوئية ، فإن الإشارة المفقودة التي يتلقاها كاشف الصور تحتاج أيضًا إلى CDR لاستعادة البيانات.

الشكل 3 - مخطط DSP على أساس تعديل PAM4

ومع ذلك ، من حيث الأداء ، فإن تحسين CDR للدائرة بأكملها أقل بكثير من تحسين DSP. DSP عبارة عن شريحة معالجة رقمية عالية السرعة. بالإضافة إلى توفير وظيفة استعادة الساعة الرقمية التي يمكن أن يوفرها CDR ، يمكنه أيضًا إجراء عمليات تعويض التشتت على 400G QSFP-DD AOC منتجات لإزالة عوامل التداخل مثل الضوضاء واللاخطية. مقيد بحجم حزمة الوحدة الضوئية ، 400G QSFP-DD AOC ليس لديه العديد من القنوات المتوازية ، إلى جانب النطاق الترددي المحدود للأجهزة الكهروضوئية ، يجب على الناس زيادة معدل الموجة الواحدة.

بالنسبة لتطبيقات الموجة الواحدة فوق 100 جيجا ، لا تستطيع شريحة المحرك الكهربائي الحالية والأجهزة الضوئية في الطرف المستقبل الوصول إلى عرض النطاق الترددي فوق 50 جيجا هرتز ، لذلك فهي تعادل إدخال مرشح تمرير منخفض في جانب جهاز الإرسال ، والذي يتجلى في المجال الزمني كتدخل بين الشفرات.

إذا أخذنا تطبيق الموجة الواحدة 100G PAM4 كمثال ، فإن جهاز التعديل ذو النطاق الترددي غير الكافي سيجعل عرض العين لإشارته صغيرًا جدًا. علاوة على ذلك ، لا يمكن لاستعادة الساعة على أساس PLL التناظري السابق العثور على أفضل نقطة لأخذ العينات ، لذلك لا يمكن لجهاز الاستقبال استعادة الإشارة الصحيحة.

بعد إدخال DSP ، يمكن ضغط الإشارة مباشرة عند نهاية الإرسال ، ويمكن استرداد الإشارة بواسطة مرشح FIR التكيفي عند الطرف المستقبل. يمكن أن تغير هذه الطريقة تأثير عرض النطاق الترددي التناظري الذي لا يمكن التحكم فيه في جهاز التشكيل / الاستقبال إلى ضغط طيف رقمي معروف ، مما يقلل من الحاجة إلى عرض النطاق الترددي للجهاز البصري.

الشكل 4: مخطط العين لـ FiberMall 400G QSFP-DD AOC

بشكل عام ، مقارنةً بدائرة CDR ، فإن منتج 400G QSFP-DD AOC الذي يستخدم حل DSP يتمتع باستهلاك وتكلفة أعلى للطاقة. ومع ذلك ، فهي تتمتع بقدرة أفضل على معالجة الإشارات ، والتي تتجلى بشكل أساسي في القدرة القوية على التكيف مع المنفذ الكهربائي ، والأداء الإلكتروني البصري الجيد ، وما إلى ذلك.

Conclusion ：

ما ورد أعلاه هو التقنيات الأساسية لمنتجات 400G QSFP-DD AOC - تقنية PAM4 و DSP. تتغلب تقنية PAM4 على القدرة الضعيفة لتعديل NRZ التقليدي بمعدل 56 جيجابت وتضاعف معدل البت دون زيادة النطاق الترددي. ومع ذلك ، تضحي PAM4 بنسبة الإشارة إلى الضوضاء ، مما يجعل منتجات 400G QSFP-DD AOC أكثر حساسية للضوضاء ، وتعوض رقائق DSP عيوب تقنية PAM4.