DSP-Technologie in der kohärenten optischen Kommunikation

Abstrakt

Die kohärente optische Übertragungstechnik ist zu einem wesentlichen Bestandteil leistungsstarker Glasfasernetze über große Entfernungen geworden. Diese fortschrittliche Modulationstechnologie kann Daten in Amplitude, Phase und Polarisation von Licht umwandeln. Der Kern jedes kohärenten Transceivers ist ein hochkomplexer digitaler Signalprozessor (DSP), der die Signalverarbeitung durchführt, die für die Erzielung einer kohärenten Übertragung von entscheidender Bedeutung ist. Dieser Artikel bietet einen umfassenden Überblick über die verschiedenen Funktionen innerhalb der elektronischen Engine des kohärenten Transceivers mit Schwerpunkt auf dem DSP und fasst die neuesten Entwicklungen und zukünftigen Herausforderungen der DSP-Technologie zusammen.

Einleitung

In den letzten Jahrzehnten ist der weltweite Internetverkehr exponentiell gewachsen und hat sich alle zwei Jahre verdoppelt. Dieses anhaltende Wachstum ist auf die enorme Nachfrage nach bandbreitenintensiven Anwendungen wie Video-Streaming, Cloud Computing, soziale Medien und die große Anzahl vernetzter Geräte zurückzuführen, die durch das Internet der Dinge (IoT) vorangetrieben werden. Um mit der Datenexplosion Schritt zu halten, haben Dienstanbieter das optische Kernübertragungsnetz von einfachen Punkt-zu-Punkt-Verbindungen auf schnelle, flexible Mesh-Topologien umgestellt. Der Einsatz traditioneller optischer Übertragungstechnologie schränkt jedoch die Kapazität und Übertragungsentfernung ein und wird zu einem Engpass für zukünftiges Wachstum.

Als Lösung hat sich die kohärente Übertragungstechnik herauskristallisiert, die es dem Kernnetz ermöglicht, das über eine einzelne Glasfaser übertragene Datenvolumen um das Hundertfache zu steigern. Dieses fortschrittliche Modulationsschema kodiert Informationen in drei Lichtattribute: Amplitude, Phase und Polarisation. Die kohärente Übertragung eröffnet Kapazitäten und Übertragungsentfernungen, die weit über herkömmliche einfache On-Demand-Übertragungen hinausgehen.off Schlüsseltechniken.

Der Kern jedes kohärenten Transceivers ist ein hochkomplexer digitaler Signalprozessor (DSP), der aus speziellen elektronischen Schaltkreisen und fortschrittlichen Algorithmen besteht. Der DSP führt die Signalverarbeitung durch, die für eine kohärente Übertragung unerlässlich ist, einschließlich Kodierung/Dekodierung von Daten, Kompensation von Kanalbeeinträchtigungen, Überwachung der Leistung usw. Die Innovation des DSP war der Katalysator für die Revolution der kohärenten Übertragungstechnologie im letzten Jahrzehnt.

Da der weltweite Internetverkehr schnell wächst, müssen auch die Fähigkeiten der kohärenten Technologie entsprechend verbessert werden. Die Verbesserung des DSP im Hinblick auf Übertragungsentfernung, Effizienz und Stromverbrauch bietet der Industrie wichtige Möglichkeiten, kohärente Transceiver weiter zu verbessern, um unseren Datenanforderungen gerecht zu werden. Dieser Artikel bietet einen umfassenden Überblick über die verschiedenen Funktionen innerhalb der elektronischen Engine des kohärenten Transceivers, wobei der Schwerpunkt auf dem DSP liegt. Außerdem werden die neuesten Entwicklungen und Herausforderungen der DSP-Technologie zusammengefasst.

Der elektronische Motor kohärenter Transceiver

Der DSP ist Teil eines größeren elektronischen Systems in jedem kohärenten Transceiver, der sogenannten elektronischen Engine. Wie in Abbildung 1 dargestellt, besteht der Motor aus den folgenden Schlüsselkomponenten:

• Analoge Verarbeitungsschaltungen wandeln Signale zwischen analogen und digitalen Formaten um. Bei der Glasfaserübertragung handelt es sich um analoge optische Signale, die Datenverarbeitung erfolgt jedoch digital. Beim Senden und Empfangen von Signalen ist eine Formatkonvertierung erforderlich.
• Die digitale Signalverarbeitung (DSP) kodiert/dekodiert Daten und gleicht Kanalbeeinträchtigungen aus. Dies ist die Kernfunktion der Signalverarbeitung.
• Vorwärtsfehlerkorrektur (FEC), die die Toleranz gegenüber Rauschen und Verzerrungen erhöht. FEC ermöglicht kohärenten Links die Handhabung von Fehlerraten, die eine Million Mal höher sind als bei herkömmlichen direkten Erkennungslinks.
• Bridge, die Daten zwischen den Formaten Ethernet und Optical Transport Network (OTN) konvertiert.
• Kleben Sie Logikschaltungen wie Mikroprozessoren, Seriell-Parallel-Wandler (SERDES) usw. auf, um die verschiedenen Module zu verbinden.

Jedes Modul in der elektronischen Maschine enthält spezielle Schaltkreise und Algorithmen und ist somit ein separates geistiges Eigentum. Daher erfordert die Entwicklung des gesamten Motors Fachwissen in verschiedenen Bereichen.

Abbildung 1. Der Aufbau der elektronischen Engine für kohärente optische Transceiver, einschließlich der Reihenfolge der Signalverarbeitung durch die Engine.

Die Grundlagen von DSP

Dieses Modul konzentriert sich nun auf die DSP-Einheit selbst und übernimmt die Schlüsselarbeit der Zuordnung digitaler Daten zu optischen Signalattributen und umgekehrt.

Die Kerntechnologie zur Erzielung dieser Abbildung heißt Orthogonalmodulation, die Daten entsprechend der Amplitude und Phase des optischen Signals kodiert. Ein orthogonales Modulationsschema mit vier Zuständen wird Quadrature Phase Shift Keying (QPSK) genannt. Fortgeschrittenere Varianten wie die 16-State Quadrature Amplitude Modulation (16-QAM) können höhere Datenraten erreichen.

Wie in Abbildung 2 dargestellt, gehören zu den Kernfunktionen des DSP:

• Kodierung/Dekodierung von Daten in Phase und Polarisation mithilfe orthogonaler Modulationsschemata.
• Einfügen von Pilotsignalen, um den Empfänger bei der Dekodierung zu unterstützen. Der Pilot liefert eine Referenz für Phase und Polarisation.
• Adaptive Entzerrung zur Kompensation der durch den Faserkanal verursachten Signalspektrumverzerrung.
• Dispersionskompensation, um dem Dispersionseffekt entgegenzuwirken, der eine Ausbreitung optischer Impulse verursacht.
• Nichtlineare Kompensation zur Abschwächung nichtlinearer Effekte wie Selbstphasenmischung.
• Spektralformung mit digitalen Filtern zur Erzielung einer maximalen Bandbreitenausnutzung.

Abbildung 2. Layout und Reihenfolge der DSP-Module, die beim Senden und Empfangen des Signals eingehalten werden

Neueste Fortschritte in der DSP-Technologie

Mit Blick auf die Zukunft sind zwei wichtige Richtungen für die DSP-Entwicklung die Übertragungsentfernung/-effizienz und die Energieeffizienz. Technologien wie Probabilistic Constellation Shaping (PCS) und schnellere Modulationsformate haben eine glänzende Zukunft.

Wie in Abbildung 3 dargestellt, nutzt PCS Signalkonstellationspunkte auf uneinheitliche Weise und überträgt mehr Bits bei einem gegebenen Leistungsbudget. PCS bringt erhebliche Vorteile mit sich, darunter eine größere Übertragungsentfernung, eine bessere nichtlineare Toleranz und eine größere Flexibilität.

Was die Modulationsformate angeht, geht die Branche schrittweise von frühen QPSK-Systemen zu Modulationen höherer Ordnung wie 16-QAM und 64-QAM über. Allerdings sind verbesserte DSP-Algorithmen erforderlich, um die erhöhte Verzerrung dieser Modulationsformate mit hoher Dichte zu bewältigen.

Im Hinblick auf die Energieeffizienz hat DSP etwa 50 % der Gesamtenergie kohärenter Transceiver verbraucht. Steigende Kapazität und Bandbreite werden den Energiebedarf für DSP-Chips weiter erhöhen. Die DSP-Leistung passt sich der Bandbreite, dem Modulationsformat, FEC und anderen Verarbeitungsfunktionen an. Daher ist eine intelligente Optimierung des DSP und seiner elektrischen Verbindungen für zukünftige Erweiterungen von entscheidender Bedeutung.

Abbildung 3. Vergleich von konventionellem 16-QAM und probabilistischem Constellation Shaping (PCS) 16-QAM. Bildquelle: Infinera.

Zusammenfassung

Im letzten Jahrzehnt war die DSP-Innovation ein revolutionärer Katalysator für kohärente Übertragungstechnologie in optischen Netzwerken. Aber wir können nicht stillstehen, da der weltweite Internetverkehr aufgrund der Dynamik von Anwendungen mit hoher Bandbreite wie Video, virtueller Realität und dem Internet der Dinge weiterhin rasant zunimmt.

Die DSP-Verbesserung der Übertragungsentfernung, Effizienz und des Stromverbrauchs bietet der Industrie wichtige Möglichkeiten, kohärente Transceiver weiter zu verbessern. Mit dem Wachstum von Diensten mit hoher Bandbreite wird DSP weiterhin das digitale Herz des optischen Netzwerks der nächsten Generation sein und Glasfaserkapazität zur Deckung des Datenbedarfs ermöglichen. Die kontinuierliche Innovation von DSP ist von entscheidender Bedeutung, um Kapazitätsengpässe zu vermeiden und das Wachstum der digitalen Welt aufrechtzuerhalten.