Was ist der Unterschied zwischen 50G SFP56 und QSFP28?

Einleitung

Mit dem Aufkommen der Ära der Mobilkommunikationstechnologie der 5. Generation (5G) kann die traditionelle Dichte der Basisstationen der Mobilkommunikationstechnologie der 4. Generation (4G) die stark gestiegene Nachfrage nach 5G-Bandbreite nicht mehr decken. Bis November 2021 hat China 1.39 Millionen 5G-Basisstationen gebaut und eröffnet, was mehr als 60 % der weltweiten Gesamtzahl ausmacht, und plant den Bau von mehr als 600,000 neuen 5G-Basisstationen im Jahr 2022. Fiber Mall hat dies durch theoretische Analysen und Tests demonstriert dass das optische Moduldesign in einem Quad Small Form-factor Pluggable (QFFP) mit höherer Leistung, niedrigeren Kosten, geringerem Stromverbrauch und besserer Bereitstellung verwendet werden kann. Durch theoretische Analysen und Tests hat Fiber Mall gezeigt, dass das optische Small Form-Factor Pluggable (SFP) 50G-Modul, das auf der Designtheorie des Quad Small Form-Factor Pluggable (QSFP) 50G-Optikmodul-Designs basiert, die Probleme der erhöhten Daten besser lösen kann Nachfrage, begrenzter Platz und begrenzte Kosten im 5G-Fronthua-Netz.

Funktionsprinzip des traditionellen optischen QSFP28 50G-Moduls

Ob in der frühen Entwurfs- und Entwicklungsphase oder später in der Inbetriebnahme, die Kernthemen optischer Module liegen in der optischen Sender-Unterbaugruppe (TOSA), der optischen Empfänger-Unterbaugruppe (ROSA) und verwandten Geräten.

TOSA ist ein Gerät, das elektrische Signale in optische Signale umwandelt, das eine komplexe Struktur, hohe Präzision und einen hohen Preis hat, während ROSA ein Gerät ist, das optische Signale in elektrische Signale umwandelt, die hauptsächlich Empfang und Verstärkung enthalten.

Im konventionellen QSFP28 50G optisches Modul Bei dieser Lösung werden zwei elektrische Non Return To Zero (NRZ)-Signale mit 25 Gbit/s in einen PAM4-Codec-Chip (4 Pulse Amplitude Modulation) eingegeben. Das Signal wird wie in Abbildung 50 gezeigt in ein 4G-PAM1-Signal umgewandelt und in einen Lasertreiber eingespeist, der das Signal verstärkt und das Licht direkt modulierter Laser (DML) ansteuert.

Abbildung 1. Schematische Darstellung der Umwandlung des NRZ-Signals in das PAM4-Signal

ROSA wandelt die empfangenen optischen Signale in elektrische Signale um und überträgt sie an den PAM4-Codec-Chip, der wiederum die PAM4-Signale in zwei NRZ-Signale umwandelt. Die Microcontroller Unit (MCU) ist an der Steuerung des gesamten Übertragungsprozesses beteiligt. Abbildung 2 zeigt das Blockdiagramm der Signalübertragung des optischen Moduls QSFP28 mit 50 Gbit/s.

Abbildung 2. Blockdiagramm der Signalübertragung des optischen Moduls QSFP28 mit 50 Gbit/s

Designprinzipanalyse des optischen SFP56 50G-Moduls

Basierend auf dem optischen Modul QSFP28 50G gab es in den letzten Jahren drei Forschungsrichtungen für optische 50G-Module.

(1) Verwendung kleinerer Packungen, um eine Verschwendung von Kanälen zu vermeiden, das Verlegen zu erleichtern sowie den Energieverbrauch zu reduzieren.

(2) Verbesserung des Temperaturanwendungsbereichs des Moduls, wie z. B. Erhöhen des Temperaturanwendungsbereichs von C-Temp (0 bis 70 °C) auf I-Temp (–40 bis 85 °C).

(3) Um die optische Übertragungsdistanz des Moduls zu erhöhen, beispielsweise um die optische Übertragungsdistanz von 10 km auf 40 km zu erhöhen.

Diese Studie wird von diesen Richtungen ausgehen und ein optisches SFP56-50G-Modul mit kleinerem Gehäuse, höherer Leistung, geringerem Stromverbrauch und längerer Übertragungsdistanz basierend auf dem technischen Hintergrund des optischen QSFP28-50G-Moduls entwerfen.

Auf der Senderseite wird das elektrische PAM4-Signal in den SEMTECH GN2256-Chip eingegeben, der den External Modulated Laser (EML) ansteuert, um das optische 50G-PAM4-Signal nach der Clock and Data Recovery (CDR)-Einheit zu emittieren. Im Vergleich zum DML emittiert der EML das gleiche Licht und der Lasertreiber treibt den externen Modulator an, um die tatsächliche Lichtausgangsgröße anzupassen, wodurch dieser Lasertyp besser für die Übertragung über große Entfernungen geeignet ist. Auf der Empfangsseite funktionieren die SFP56- und QSFP28-Pakete optischer Module grundsätzlich gleich. Der Platinenrahmen des optischen SFP56-50G-Moduls ist in Abbildung 3 dargestellt.

Abbildung 3. Platinenrahmen des optischen SFP56-50G-Moduls

Vergleich der Größe des optischen 50G-Moduls und des Stromverbrauchs zwischen QSFP28 und SFP56

Die Größe des optischen Moduls wird einen größeren Einfluss auf den Aufbau des Weiterleitungsnetzwerks haben. Wenn das Modul bei gleicher Übertragungsrate kleiner gemacht werden kann, können mehr Module auf einer einzigen Platine gleicher Größe installiert werden. Dies erhöht die Einzelplatinen-Übertragungsrate und kann auch als eine kleinere Platinengröße angesehen werden, die zum Erreichen der gleichen Einzelplatinenrate erforderlich ist, was dazu beiträgt, die Gerätegröße zu reduzieren.

Tabelle 1 zeigt die Größe und Kosten von QSFP28 und SFP56 und den Stromverbrauch bei 50G-Übertragung, wie aus der Tabelle ersichtlich, ohne Berücksichtigung der Auswirkung des Modullängen-Zugrings auf die Verlegung der Prämisse.

Tabelle 1. Größe und Kosten von QSFP28 und SFP56 und Stromverbrauch bei 50G-Übertragung

(1) Die Anzahl optischer Module im SFP56-Gehäuse, die auf einer einzigen Platine derselben Größe verlegt werden können, ist 1.68-mal größer als die Anzahl der optischen Module im QSFP28-Gehäuse, die verlegt werden können.

(2) Der Stromverbrauch eines einzelnen SFP56 50G 40 km optischen Moduls beträgt 57.9 % des Stromverbrauchs von a QSFP28 50G 10 km optisches Modul.

(3) Die Kosten eines einzelnen SFP56 50G 40 km optischen Moduls betragen 213.88 % der Kosten eines QSFP28 50G 10 km optischen Moduls.

Es kann geschlussfolgert werden, dass beim Verlegen des optischen Moduls SFP56 50G 40 km auf einer Einzelplatine der gleichen Größe im Vergleich zum Verlegen des optischen Moduls QSFP28 50G 10 km der Stromverbrauch im Grunde gleich ist, aber die Einzelplatinenrate um das 1.68-fache erhöht oder erreicht wird Bei gleicher Single-Board-Übertragungsrate wird die Single-Board-Fläche um 40.5 % und der Stromverbrauch um 42.1 % reduziert.

Die Kosten für ein herkömmliches optisches Modul QSFP28 50G 10 km C-Temp (0 bis 70 °C) betragen etwa 180 $/Stück, und die Kosten für das optische Modul SFP56 50G 40 km I-Temp (-40 bis 85 °C) liegen bei Dieses Design kostet etwa 385 US-Dollar pro Stück, sodass die Kosten für ein optisches Modul im SFP56-Gehäuse nur 26.6 % der Kosten für ein QSFP28-Gehäuse für dieselbe Entfernung und dieselbe Übertragungsrate betragen. Die Kosten betragen nur 26.6 % des QSFP28-Pakets.

Vergleichstest des optischen Augenmusters und der Empfindlichkeit des optischen Moduls 50G QSFP28 und SFP56

Sowohl QSFP28 50G 10 km C-Temp als auch SFP56 50G 40 km I-Temp optische Module können entweder durch Selbstschleife oder durch Hinzufügen einer externen Lichtquelle getestet werden. Um den Einfluss der Umgebungstemperatur auf die Lichtquelle bei der Messung der Parameter im Zusammenhang mit der ROSA-Seite zu vermeiden, wählt diese Studie den Aufbau einer Testumgebung durch Hinzufügen einer externen Lichtquelle für Vergleichstests. Wie in Abbildung 4 gezeigt, wird das Licht des Prüflings (DUT) durch einen Strahlteiler geteilt, und 90 % des Lichts werden in den Digital Communication Analyzer (DCA) eingespeist, um die Parameter im Zusammenhang mit dem optischen Augendiagramm zu messen. und 10 % des Lichts werden in den Optical Spectrum Analyzer (OSA) eingespeist, um die Wellenlänge und das Side-Mode Suppression Ratio (SMSR) zu messen. Das Licht von dem bekannten optischen Modul wird in das DUT eingespeist, nachdem es den Attenuator (ATT) durchlaufen hat, um die Rx-bezogenen Parameter des DUT zu messen, und der Bit Error Tester (BERT) liefert das Modulationssignal für das Evaluation Board (EVB) und den Takt Signal für den DCA. Das DUT wird in einem Thermostat platziert und die Umgebungstemperatur seines Betriebs kann künstlich geändert werden, so dass bekannt ist, dass das optische Modul in einer Umgebung mit konstanter Temperatur platziert ist. Ein Multimeter wird zur Spannungskalibrierung des optischen Moduls verwendet, ein Personal Computer (PC) wird verwendet, um die Parameter des optischen Moduls über eine grafische Benutzeroberfläche (GUI) einzustellen, und eine Stromversorgung wird verwendet, um die beiden EVBs mit Strom zu versorgen.

Abbildung 4. Testblockdiagramm mit hinzugefügter externer Lichtquelle

Die Diagramme des optischen Auges der beiden optischen Module bei Raumtemperatur sind in Abbildung 5 dargestellt, und die zugehörigen Parameter sind in Tabelle 2 dargestellt. Wie aus der Tabelle ersichtlich, ist das Augendiagramm der Senderdispersion geschlossen quaternär (TDECQ) von QSFP28 50G optisch Modul u SFP56 50G optisches Modul bei Raumtemperatur sind 2.49 dB bzw. 1.98 dB mit Extinktionsverhältnissen von 6.529 dB und 4.749 dB, und die durchschnittliche optische Leistung betrug 1.73 dBm bzw. 0.69 dBm.

Die externe Lichtquelle wird in eine Umgebung mit Raumtemperatur gebracht und ihr Betriebszustand wird konstant gehalten. In der Verbindung wird das von der externen Lichtquelle emittierte Licht nach ATT in den QSFP28 50G ROSA-Anschluss und den SFP56 50G ROSA-Anschluss eingegeben, und die Empfindlichkeit dieser beiden Module bei 25 °C beträgt -11.3 bzw. -11.9 dB nach Messung.

Tisch 2. Optisch Auge Diagramm bezogene Parameter von XNUMX optisch Module at Zimmer temperature

(a) QSFP28 50G

(b) SFP56 50G

Abbildung 5. Diagramm des optischen Auges bei Raumtemperatur

Das optisches Augendiagramm des optischen SFP56 50G-Moduls bei hohen und niedrigen Temperaturbedingungen ist in Abbildung 6 dargestellt, und die zugehörigen Parameter sind in Tabelle 3 dargestellt. Durch Einstellen der Umgebungstemperatur wird das optische Modul so eingestellt, dass es bei -40 bzw. +85 °C arbeitet, und das von TOSA emittierte Licht wird in DCA eingespeist nach 40 km Glasfaser. Nach Anpassung der relevanten Parameter beträgt der TDECQ 2.52 und 2.77 dB, die durchschnittliche optische Leistung 1.50 und 0.67 dBm, das Extinktionsverhältnis 4.401 und 4.402 dB und die Empfindlichkeit -11.5 und -11.3 dB, die alle übereinstimmen das Institut für Elektro- und Elektronikingenieure (IEEE) 802.3cd. Engineers (IEEE) 802.3cd 50G-bezogene Anforderungen.

Tabelle 3. Parameter des optischen Augendiagramms des optischen SFP56 50G-Moduls unter Hoch- und Niedrigtemperaturbedingungen

(a)-40° C

(b) +85°C

Abbildung 6. Diagramm des optischen Auges des optischen SFP56-50-Gbit/s-Moduls bei hohen und niedrigen Temperaturbedingungen

Da der Betriebstemperaturbereich des herkömmlichen optischen QSFP28-50G-Moduls 0 bis +70 °C beträgt, während der des optischen SFP56-50G-Moduls in dieser Studie bei -40 bis +85 °C liegt, ist es nicht wichtig, die Leistungsparameter von zu vergleichen die beiden bei 0 °C und +70 °C. Die Hoch- und Tieftemperatur-Leistungsparameter des Moduls entsprechen normalerweise der linearen Beziehung, d. h. das Modul mit guter Leistung bei Raumtemperatur hat auch eine gute Leistung bei hoher und niedriger Temperatur. Daher ist es nur erforderlich, die Leistungsparameter des optischen Moduls SFP56 50G zu testen, wenn es bei -40 ℃ und +85 ℃ arbeitet. Solange die Leistungsparameter des Moduls die relevanten Anforderungen von 50G in IEEE 802.3cd in dieser Umgebung erfüllen, kann die Leistung der beiden optischen Module mit unterschiedlichen Gehäusen durch Kombinieren der Leistungsparameter bei Raumtemperatur bestimmt werden.

Wie aus Tabelle 3 ersichtlich ist, wird im Vergleich zu QSFP28 der TDECQ um 20.5 % reduziert und die Empfindlichkeit um 0.6 dB erhöht, nachdem SFP56 ausgewählt wurde. Es kann geschlussfolgert werden, dass die Gesamtleistung des optischen Moduls nach Auswahl des SFP20-Pakets um etwa 56 % verbessert wird, dh das SFP56-Paket ist besser für die Anwendung als 50G-Optikmodul geeignet als das QSFP28-Paket.

Zusammenfassung

Dieses Experiment beweist, dass Fiber Mall erfolgreich ein optisches SFP56 50G 40 km I-Temp-Modul basierend auf dem optischen QSFP28 50G 10 km-Modul mit einem kleineren SFP56-Gehäuse entwickelt hat, wobei der PAM4 Gearbox Codec-Chip durch einen SEMTECH GN2256 CDR-Chip ersetzt und TOSA kombiniert wurde , ROSA und EML. Verglichen mit dem herkömmlichen optischen QSFP28 50G 10 km C-Temp-Modul werden die Modulkosten um 73.4 % reduziert und die Gesamtleistung des Moduls um etwa 20 % verbessert, was in einer härteren Arbeitsumgebung funktionieren kann und alle Indikatoren übereinstimmen mit den 50G-Anforderungen von IEEE 802.3cd. SFP56 50G 40 km optisches Modul. Das optische Modul SFP56 50G 40 km hat viele Vorteile und wird voraussichtlich eine Rolle beim Ersatz des optischen Moduls QSFP28 50G 10 km in zukünftigen 5G-Fronthaul-Netzen spielen.