تقنية DSP في الاتصالات البصرية المتماسكة

ملخص

أصبحت تكنولوجيا النقل البصري المتماسكة جزءًا أساسيًا من شبكات الألياف الضوئية ذات السعة العالية والمسافات الطويلة. يمكن لتقنية التعديل المتقدمة هذه تشفير البيانات في سعة الضوء ومرحلته واستقطابه. إن جوهر كل جهاز إرسال واستقبال متماسك هو معالج إشارات رقمية معقد للغاية (DSP)، والذي يقوم بمعالجة الإشارات التي تعتبر ضرورية لتحقيق إرسال متماسك. تقدم هذه المقالة نظرة شاملة للوظائف المختلفة داخل المحرك الإلكتروني لجهاز الإرسال والاستقبال المتماسك، مع التركيز على معالج الإشارة الرقمية، وتلخص آخر التطورات والتحديات المستقبلية لتقنية معالج الإشارة الرقمية.

المُقدّمة

في العقود الأخيرة، نمت حركة الإنترنت العالمية بشكل كبير، حيث تضاعفت كل عامين. وينبع هذا النمو المستدام من الطلب الهائل على التطبيقات كثيفة النطاق الترددي، مثل بث الفيديو، والحوسبة السحابية، ووسائل الإعلام الاجتماعية، والعدد الكبير من الأجهزة المتصلة بالشبكات التي تعتمد على إنترنت الأشياء (IoT). لمواكبة انفجار البيانات، قام مقدمو الخدمات بتحويل شبكة النقل البصري الأساسية من روابط بسيطة من نقطة إلى نقطة إلى طوبولوجيات شبكية مرنة عالية السرعة. ومع ذلك، فإن الاعتماد على تكنولوجيا النقل البصري التقليدية يحد من القدرة ومسافة الإرسال، مما يشكل عنق الزجاجة أمام النمو المستقبلي.

وقد ظهرت تقنية النقل المتماسك كحل، مما مكن الشبكة الأساسية من زيادة حجم البيانات المنقولة عبر ليف واحد بمقدار 100 مرة. يقوم نظام التعديل المتقدم هذا بتشفير المعلومات إلى ثلاث سمات للضوء: السعة والطور والاستقطاب. يؤدي النقل المتماسك إلى فتح السعة ومسافة النقل إلى ما هو أبعد من النقل البسيط التقليدي.off تقنيات القفل.

جوهر كل جهاز إرسال واستقبال متماسك هو معالج إشارات رقمية معقد للغاية (DSP) يتكون من دوائر إلكترونية مخصصة وخوارزميات متقدمة. يقوم معالج الإشارة الرقمي (DSP) بمعالجة الإشارات الضرورية لتحقيق إرسال متماسك، بما في ذلك بيانات التشفير/فك التشفير، والتعويض عن ضعف القناة، ومراقبة الأداء، وما إلى ذلك. وكان ابتكار معالج الإشارة الرقمية (DSP) بمثابة الحافز لثورة تكنولوجيا الإرسال المتماسك في العقد الماضي.

ومع النمو السريع لحركة الإنترنت العالمية، تحتاج أيضًا قدرات التكنولوجيا المتماسكة إلى التحسين وفقًا لذلك. يوفر تحسين معالج الإشارة الرقمي (DSP) من حيث مسافة الإرسال والكفاءة واستهلاك الطاقة فرصًا مهمة للصناعة لمواصلة تحسين أجهزة الإرسال والاستقبال المتماسكة لتلبية احتياجاتنا من البيانات. ستقدم هذه المقالة نظرة عامة شاملة على الوظائف المختلفة داخل المحرك الإلكتروني لجهاز الإرسال والاستقبال المتماسك، مع التركيز على معالج الإشارة الرقمي (DSP). كما سيلخص أحدث التطورات والتحديات التي تواجه تقنية DSP.

المحرك الإلكتروني لأجهزة الإرسال والاستقبال المتماسكة

يعد DSP جزءًا من نظام إلكتروني أكبر داخل كل جهاز إرسال واستقبال متماسك، يسمى المحرك الإلكتروني. كما هو موضح في الشكل 1، يتكون المحرك من المكونات الرئيسية التالية:

• تعمل دوائر المعالجة التناظرية على تحويل الإشارات بين التنسيقات التناظرية والرقمية. يعتبر نقل الألياف عبارة عن إشارات ضوئية تناظرية، لكن معالجة البيانات تتم بشكل رقمي. مطلوب تحويل التنسيق عند إرسال واستقبال الإشارات.
• تقوم معالجة الإشارات الرقمية (DSP) بتشفير/فك تشفير البيانات وتعويض ضعف القناة. هذه هي وظيفة معالجة الإشارات الأساسية.
• تصحيح الخطأ الأمامي (FEC)، مما يعزز القدرة على تحمل الضوضاء والتشويه. تمكن FEC الروابط المتماسكة من التعامل مع معدلات الخطأ التي تزيد مليون مرة عن روابط الكشف المباشر التقليدية.
• Bridge، الذي يقوم بتحويل البيانات بين تنسيقات Ethernet وشبكة النقل الضوئية (OTN).
• لصق الدوائر المنطقية، مثل المعالجات الدقيقة، والمحولات التسلسلية/المتوازية (SERDES)، وما إلى ذلك، لتوصيل الوحدات المختلفة.

تحتوي كل وحدة في المحرك الإلكتروني على دوائر وخوارزميات مخصصة، مما يجعلها ملكية فكرية منفصلة. ولذلك، فإن تطوير المحرك بأكمله يتطلب خبرة في مجالات مختلفة.

الشكل 1. تخطيط المحرك الإلكتروني لأجهزة الإرسال والاستقبال الضوئية المتماسكة، بما في ذلك ترتيب معالجة الإشارات بواسطة المحرك.

أساسيات DSP

الآن مع التركيز على وحدة DSP نفسها، تقوم هذه الوحدة بتنفيذ العمل الرئيسي المتمثل في تعيين البيانات الرقمية إلى سمات الإشارة الضوئية والعكس.

تسمى التقنية الأساسية لتحقيق هذا التعيين بالتعديل المتعامد، والذي يقوم بتشفير البيانات إلى سعة ومرحلة الإشارة الضوئية. يسمى نظام التعديل المتعامد ذو الأربع حالات بمفتاح تحويل الطور التربيعي (QPSK). يمكن للمتغيرات الأكثر تقدمًا مثل تعديل السعة التربيعية ذو 16 حالة (16-QAM) تحقيق معدلات بيانات أعلى.

كما هو موضح في الشكل 2، تتضمن بعض الوظائف الأساسية لـ DSP ما يلي:

• تشفير/فك تشفير البيانات إلى الطور والاستقطاب باستخدام مخططات التعديل المتعامدة.
• إدخال الإشارات التجريبية لمساعدة جهاز الاستقبال في فك التشفير. يوفر الطيار مرجعا للمرحلة والاستقطاب.
• المعادلة التكيفية للتعويض عن تشويه طيف الإشارة الناجم عن القناة الليفية.
• تعويض التشتت لمواجهة تأثير التشتت الذي يسبب انتشار النبض البصري.
• التعويض غير الخطي للتخفيف من التأثيرات غير الخطية مثل خلط الطور الذاتي.
• التشكيل الطيفي باستخدام المرشحات الرقمية لتحقيق أقصى استفادة من عرض النطاق الترددي.

الشكل 2. تخطيط وتسلسل وحدات DSP المتبعة عند إرسال الإشارة واستقبالها

أحدث التطورات في تكنولوجيا DSP

وبالنظر إلى المستقبل، هناك اتجاهان مهمان لتقدم معالج الإشارة الرقمية هما مسافة/كفاءة الإرسال وكفاءة الطاقة. تقنيات مثل تشكيل الكوكبة الاحتمالية (PCS) وتنسيقات التعديل الأسرع لها مستقبل مشرق.

كما هو موضح في الشكل 3، تستخدم PCS نقاط كوكبة الإشارة بطريقة غير موحدة، حيث تنقل المزيد من البتات ضمن ميزانية طاقة معينة. توفر PCS فوائد كبيرة، بما في ذلك زيادة مسافة الإرسال، وتحسين التسامح غير الخطي، وزيادة المرونة.

وفيما يتعلق بأنساق التشكيل، تنتقل الصناعة تدريجياً من أنظمة QPSK المبكرة إلى التشكيل ذي الترتيب الأعلى مثل 16-QAM و64-QAM. ومع ذلك، هناك حاجة إلى خوارزميات DSP محسنة للتعامل مع التشويه المتزايد لتنسيقات التعديل عالية الكثافة هذه.

فيما يتعلق بكفاءة استخدام الطاقة، فقد استهلك معالج الإشارة الرقمي (DSP) حوالي 50% من إجمالي الطاقة لأجهزة الإرسال والاستقبال المتماسكة. ستؤدي زيادة السعة وعرض النطاق الترددي إلى زيادة الطلب على الطاقة لرقائق DSP. موازين طاقة DSP مع عرض النطاق الترددي وتنسيق التعديل وFEC ووظائف المعالجة الأخرى. لذلك، يعد التحسين الذكي لـ DSP وتوصيلاته الكهربائية أمرًا بالغ الأهمية للتوسع المستقبلي.

الشكل 3. مقارنة بين 16-QAM التقليدي وتشكيل الكوكبة الاحتمالية (PCS) 16-QAM. مصدر الصورة: إنفينيرا.

نبذة عامة

في العقد الماضي، كان ابتكار معالج الإشارة الرقمية (DSP) بمثابة محفز ثوري لتكنولوجيا النقل المتماسك في الشبكات الضوئية. ولكن لا يمكننا أن نقف مكتوفي الأيدي، مع استمرار حركة الإنترنت العالمية في النمو بسرعة تحت قيادة تطبيقات النطاق الترددي العالي مثل الفيديو، والواقع الافتراضي، وإنترنت الأشياء.

يوفر تحسين DSP في مسافة الإرسال والكفاءة واستهلاك الطاقة فرصًا مهمة للصناعة لمواصلة تحسين أجهزة الإرسال والاستقبال المتماسكة. ومع نمو خدمات النطاق الترددي العالي، سيستمر نظام DSP في كونه القلب الرقمي للشبكة الضوئية من الجيل التالي، مما يتيح قدرة الألياف على تلبية الطلب على البيانات. يعد الابتكار المستمر لشركة DSP أمرًا ضروريًا لتجنب أزمة القدرات والحفاظ على نمو العالم الرقمي.