Kerntechnologien in 400G QSFP-DD AOC: PAM4 und DSP

Um die Übertragungsrate von 400 Gbit/s zu unterstützen, kann der 4-Kanal-x100-Gbit/s-Übertragungsmodus mit PAM-Modulation die Designkomplexität und den Energieverbrauch des Transceivers reduzieren. Es wird angemerkt, dass im Vergleich zu Mach-Zehnder-Modulatoren auf externer Modulationsbasis (MZMs) die internen Modulationsschemata unter Verwendung von elektroabsorptionsmodulierten Lasern (EMLs) und direkt modulierten Lasern (DMLs) weniger teuer und einfacher im Design sind.

Aber zwei Engpässe begrenzen die Leistung des Systems: die Begrenzung der Modulationsbandbreite der optoelektronischen Vorrichtung und das Problem der nichtlinearen Beeinträchtigung während der Modulation und Demodulation. Viele Verfahren zur digitalen Signalverarbeitung (DSP) wurden vorgeschlagen, um diese beiden Beschränkungen anzugehen, wie z. B. Beurteilungsrückkopplungsentzerrung, nichtlineare Volterra-Entzerrung usw., die alle eine hohe Rechenkomplexität auf der Empfängerseite erfordern.

PAM4-Technologie

Aufgrund der Anforderungen der 400G-Technologie ist es notwendig, 56G- oder 112G-Ratenanforderungen für einen Kanal anzuwenden, aber die Kanalverlust- und Reflexionseinführungskosten von 56G/112G-Signalen sind zu hoch, und die Toleranz gegenüber Kanalübersprechen ist stark reduziert . Die aktuelle NRZ-Technologie ist schwierig, die Einkanal-56G-Übertragungsrate zu durchbrechen. Daher führte die Industrie die PAM4-Technologie ein, um dieses Problem zu lösen.

PAM4 ist eine Art PAM-Technologie (Pulse Amplitude Modulation). Seine Modulationsverfahren umfassen DSP-basierte digitale DAC-Implementierungsverfahren und analogbasierte Combine-Verfahren. Der Mainstream-Analogmodus kann durch Hinzufügen von zwei Kanälen mit NRZ-Signalen betrieben werden, und das digitale Modell basiert auf einem Hochgeschwindigkeits-DAC für die schnelle Ausgabe von 0/1/2/3-Pegeln.

Wie in der Abbildung gezeigt, wird PAM4 durch eine vierstufige Amplitude moduliert, und jeder Pegelwert kann Zwei-Bit-Informationen tragen, auf Kosten einer höheren Rauschempfindlichkeit. Wenn wir uns das Augendiagramm eines NRZ-Signals ansehen und annehmen, dass die Bitperiode T und die Amplitude A ist, dann ist die Kanalbandbreite das Inverse der Bitperiode (1/T). Je höher die Bitrate, desto kleiner die Bitperiode und desto größer die Signalbandbreite. Es gibt auch eine Anforderung an das Signal-Rausch-Verhältnis (SNR), die sich auf die Signalamplitude bezieht. Je kleiner die Öffnung des Augendiagramms ist, desto schwieriger ist es, das ursprüngliche Signal bei einem festen Signal-Rausch-Verhältnis vom Empfänger zu unterscheiden.

Abbildung 1: Schematische Darstellung des PAM4-Prinzips

Gibt es eine andere Möglichkeit, die Bitrate zu verdoppeln? Eine Möglichkeit besteht darin, die Zwei-Bit-Ströme zu serialisieren. Verwenden Sie einen 56-Gbit/s-Kanal anstelle von zwei 28-Gbit/s-Kanälen. Im ursprünglichen 28-Gbit/s-Ratenzyklus erreicht die aktuelle Rate also 56 Gbit/s. Wie aus dem Augendiagramm des Signals ML ersichtlich ist, ist seine Amplitude immer noch A, aber die Periode wird zu T/2. Wenn die Bitperiode hin- und herbewegt wird, wird die Signalbandbreite 2/T erhalten. A bleibt unverändert, dh das Signal-Rausch-Verhältnis bleibt unverändert, aber die Signalbandbreite wird verdoppelt.

Wir brauchen eine Möglichkeit, die Bitrate zu vervielfachen, ohne die Bandbreite zu erhöhen, und hier zeichnet sich PAM4 aus. Das Augendiagramm des PAM4 ist ungewöhnlich, mit 3 offenen Augen und 4 Amplituden bei Längsbetrachtung mit einer Symbolperiode von T. Der Öffnungsbereich jedes Auges ist jedoch A/3 und die entsprechende Bandbreitenanforderung ist 1/T. Auf diese Weise erhalten wir ein 56-Gbit/s-Signal, was der M- oder L-Bandbreite des 28-Gbit/s-Einkanalsignals entspricht, aber das Signal-Rausch-Verhältnis ist auf A/3 bezogen, also PAM4 ein Handel-off zwischen dem Signal-Rausch-Verhältnis und der Signalbandbreite.

Viele serielle Verbindungen sind bandbreitenbeschränkt, daher ist es schwierig, 28 Gbit/s durch Verkürzen der Bitperiode zu erhöhen. Wenn jedoch Platz für SNR vorhanden ist, ist es eine gute Wahl, einen Teil der SNR-Kosten im Austausch für das PAM4-Schema mit doppelter Rate zu opfern.

Was ist DSP-Technologie?

Für optische Kurzstreckenkommunikationssysteme sind die zu berücksichtigenden Hauptfaktoren: 1) chromatische Dispersion, dh unterschiedliche Wellenlängen entsprechen unterschiedlichen Gruppengeschwindigkeiten, was zu einer Impulsverbreiterung und Signalverzerrung führt. Daher wird das O-Band mit geringerer chromatischer Dispersion als Arbeitswellenlänge ausgewählt; 2) Tiefpassfiltereffekt, der durch unzureichende Gerätebandbreite verursacht wird; 3) Polarisationsdrehung. Aufgrund der kurzen Übertragungsdistanz wird die Polarisationsmodendispersion nicht berücksichtigt. Der Einfluss dieser Faktoren kann durch DSP kompensiert werden.

DSP ist digitale Signalverarbeitungstechnologie, und DSP-Chip bezieht sich auf den Chip, der digitale Signalverarbeitungstechnologie realisieren kann. Es ist ein schneller und leistungsfähiger Mikroprozessor. Das einzigartige Merkmal ist, dass es Daten in Echtzeit verarbeiten kann. Das Innere des DSP-Chips nimmt eine Harvard-Struktur mit getrennten Programmen und Daten an und verfügt über einen dedizierten Hardware-Multiplikator, der zur schnellen Implementierung verschiedener digitaler Signalverarbeitungsalgorithmen verwendet werden kann. Im Kontext des digitalen Zeitalters ist DSP zu einem grundlegenden Gerät in den Bereichen Kommunikation, Computer und Unterhaltungselektronik geworden.

Im optischen Kurzstrecken-Kommunikationssystem sind die Hauptfunktionen des Sender-DSP:

1) FEC-Codierungstechnologie (Forward Error Correction). Sein Grundprinzip ist die Verwendung des redundanten Codierungsverfahrens, das den Vorteil hat, Übertragungsfehler automatisch zu korrigieren.

2) Bit-zu-Symbol-Abbildung

3) Neuprobenahme

4) Impulsformung

5) DAC

Die Hauptfunktionen des Empfänger-DSP sind:

1) ADC

2) Neuprobenahme

3) Neutiming

4) Adaptiver Entzerrer, der seine Koeffizienten basierend auf der Messung von Kanaleigenschaften automatisch anpasst, um sich an Änderungen in Kanaleigenschaften anzupassen, das Signal zu kompensieren und Intersymbolinterferenzen zu eliminieren

5) FEC-Decodierung

Wir haben die DSP-Konfigurationsanforderungen für drei verschiedene Modulationsverfahren verglichen. Die drei Modulationsformate sind (1) PAM; (2) CAP (trägerlose Amplituden- und Phasenmodulation); (3) DMT (diskrete Mehrtonmodulation). Die diesen drei Modulationsverfahren entsprechende DSP-Konfiguration ist in der folgenden Abbildung dargestellt.

Abbildung 2: DSP-Konfiguration entsprechend den drei Modulationsmethoden

Für PAM werden Impulsformungs- und Vorverzerrungsfunktionen am Sender verwendet, um die Bandbreitenbeschränkungen des DAC und die Nichtlinearität des Sendergeräts zu kompensieren. Ein adaptiver Entzerrer am Empfänger wird verwendet, um Verluste beim Sender und Kanal auszugleichen.

Für die CAP verwendet der Sender zwei Formungsfilter, um ein Quadratur-Amplitudenmodulations(QAM)-Signal zu bilden. Die Funktion des Pre-Enhancement ist ähnlich wie bei der PAM-Codierung, die ebenfalls zur Kompensation verwendet wird. Auf der Empfangsseite wird das Signal zur Verarbeitung in zwei Kanäle aufgeteilt und schließlich das QAM-Signal synthetisiert.

DMT zeichnet sich durch hohe spektrale Effizienz, hohe Verlusttoleranz und flexible Codierung aus. Auf der Sendeseite wandelt die S/P-Funktion serielle Informationen in parallele Blöcke um. Die IFFT-Funktion wandelt das Signal in den Zeitbereich um. Interferenzen zwischen parallelen Blöcken können durch Hinzufügen eines zyklischen Präfixes vermieden werden. Auf der Empfangsseite ist es die umgekehrte Operation der Sendeseitenfunktion.

Die Komplexität von DSP wirkt sich direkt auf die Kosten und den Stromverbrauch optischer Module aus. Die drei Modulationsverfahren haben einige gemeinsame DSP-Module, einschließlich FEC-Codec, Bit-Mapping/Demapping, DAC, ADC usw. Im Vergleich dazu erfordert das PAM-Verfahren weniger Module, und sowohl CAP als auch DMT erfordern zusätzliche Filtereinheiten, die komplizierter sind. Die Vor- und Nachteile dieser Modulationsverfahren werden in der folgenden Tabelle gegenübergestellt.

Tabelle 1: Vergleich der Vor- und Nachteile der drei Modulationsformate

RS bedeutet Empfängerempfindlichkeit, RIN bedeutet relatives Intensitätsrauschen. Im Vergleich dazu ist das PAM-4-Verfahren die beste Wahl, es kann auf einfache Weise eine optische Kurzstreckenkommunikation realisieren und hat eine hervorragende Leistung. Derzeit basieren die meisten optischen 400G-Demomodule auf dem PAM-4-Verfahren.

Ein sehr wichtiger Teil des 400G QSFP-DD AOC ist das Design der Signalwiederherstellungsschaltung. In der Vergangenheit wurden zur Signalwiederherstellung CDR-Schaltungen (Clock and Data Recovery) verwendet. In der elektrisch-optischen Umwandlungsschnittstelle durchläuft das serielle Hochgeschwindigkeitssignal die verlustreiche Leiterplatte, was zu einer ernsthaften Verschlechterung der Signalqualität führt. Das Signal wird durch das PAM4 CDR wiederhergestellt, wodurch Takt und Daten mit geringem Jitter erhalten werden. An der elektrooptischen Umwandlungsschnittstelle benötigt das vom Fotodetektor empfangene verlustbehaftete Signal aufgrund des Einfügungsverlusts des elektrooptischen Modulators und des Übertragungsverlusts der optischen Faser auch CDR zur Datenwiederherstellung.

Abbildung 3: DSP-Schema basierend auf PAM4-Modulation

In Bezug auf die Leistung ist die Verbesserung von CDR für die gesamte Schaltung jedoch weitaus geringer als die von DSP. DSP ist ein digitaler Hochgeschwindigkeits-Verarbeitungschip. Zusätzlich zur Bereitstellung der digitalen Taktwiederherstellungsfunktion, die CDR bereitstellen kann, kann es auch Dispersionskompensationsoperationen durchführen 400G QSFP-DD AOC Produkte zum Entfernen von Störfaktoren wie Rauschen und Nichtlinearitäten. Begrenzt durch die Gehäusegröße des optischen Moduls hat 400G QSFP-DD AOC nicht viele parallele Kanäle und in Verbindung mit der begrenzten Bandbreite elektrooptischer Geräte müssen die Menschen die Einzelwellenrate erhöhen.

Für Single-Wave-Anwendungen über 100 G sind die aktuellen elektrischen Treiberchips und optischen Geräte auf der Empfangsseite nicht in der Lage, die Bandbreite über 50 GHz zu erreichen, so dass dies der Einführung eines Tiefpassfilters auf der Senderseite entspricht, was sich in manifestiert Zeitbereich als Intercode-Interferenz.

Am Beispiel der Anwendung von Single-Wave 100G PAM4 macht das Modulationsgerät mit unzureichender Bandbreite die Augenweite seines Signals sehr klein. Außerdem kann die Taktrückgewinnung auf Basis der bisherigen analogen PLL nicht den besten Abtastpunkt finden, sodass der Empfänger nicht das richtige Signal zurückgewinnen kann.

Nach der Einführung von DSP kann das Signal auf der Sendeseite direkt komprimiert und auf der Empfangsseite durch das adaptive FIR-Filter wiederhergestellt werden. Dieses Verfahren kann den Einfluss der unkontrollierbaren analogen Bandbreite in der Modulations-/Empfangsvorrichtung in eine bekannte digitale Spektrumskompression umwandeln, wodurch der Bedarf an Bandbreite der optischen Vorrichtung reduziert wird.

Abbildung 4: Augendiagramm des FiberMall 400G QSFP-DD AOC

Im Allgemeinen hat das 400G-QSFP-DD-AOC-Produkt, das die DSP-Lösung verwendet, im Vergleich zur CDR-Schaltung einen höheren Stromverbrauch und höhere Kosten. Es hat jedoch eine bessere Fähigkeit, Signale zu verarbeiten, was sich hauptsächlich in der starken Anpassungsfähigkeit des elektrischen Anschlusses, der guten optoelektronischen Leistung usw. manifestiert.

CEinschluss：

Die oben genannten sind die Kerntechnologien von 400G-QSFP-DD-AOC-Produkten – PAM4- und DSP-Technologie. Die PAM4-Technologie überwindet die schwache Fähigkeit der traditionellen NRZ-Modulation bei einer 56G-Rate und verdoppelt die Bitrate, ohne die Bandbreite zu erhöhen. PAM4 opfert jedoch das Signal-Rausch-Verhältnis, wodurch 400G-QSFP-DD-AOC-Produkte empfindlicher gegenüber Rauschen werden, und DSP-Chips gleichen die Nachteile der PAM4-Technologie einfach aus.