Technologies de base dans 400G QSFP-DD AOC : PAM4 et DSP

Pour prendre en charge le débit de transmission de 400 Gbit/s, le mode de transmission à 4 canaux x100 Gbit/s utilisant la modulation PAM peut réduire la complexité de conception et la consommation d'énergie de l'émetteur-récepteur. Il est à noter que par rapport aux modulateurs Mach-Zehnder (MZM) basés sur la modulation externe, les schémas de modulation internes utilisant le laser modulé par électroabsorption (EML) et les lasers modulés directement (DML) sont moins chers et plus simples dans leur conception.

Mais deux goulots d'étranglement limitent les performances du système : la limitation de la bande passante de modulation du dispositif optoélectronique et le problème de dégradation non linéaire lors de la modulation et de la démodulation. De nombreuses méthodes de traitement numérique du signal (DSP) ont été proposées pour répondre à ces deux limitations, telles que l'égalisation de rétroaction de jugement, l'égalisation de Volterra non linéaire, etc., qui nécessitent toutes une complexité de calcul élevée du côté du récepteur.

Technologie PAM4

En raison des exigences de la technologie 400G, il est nécessaire d'appliquer des exigences de débit 56G ou 112G à canal unique, mais la perte de canal et le coût d'introduction de la réflexion des signaux 56G/112G sont trop élevés et la tolérance à la diaphonie des canaux est considérablement réduite. . La technologie NRZ actuelle est difficile à percer à travers le débit de transmission 56G monocanal. Par conséquent, l'industrie a introduit la technologie PAM4 pour le résoudre.

PAM4 est une sorte de technologie PAM (Pulse Amplitude Modulation). Ses méthodes de modulation comprennent des méthodes de mise en œuvre de DAC numériques basées sur DSP et des méthodes de combinaison analogiques. Le mode analogique grand public peut fonctionner en ajoutant deux canaux de signaux NRZ, et le modèle numérique est basé sur un DAC haute vitesse pour une sortie rapide des niveaux 0/1/2/3.

Comme le montre la figure, PAM4 est modulé par une amplitude à quatre niveaux, et chaque valeur de niveau peut transporter des informations à deux bits, au prix d'une plus grande sensibilité au bruit. Si nous regardons le diagramme en œil d'un signal NRZ, en supposant que la période de bit est T et l'amplitude est A, alors la bande passante du canal est l'inverse de la période de bit (1/T). Plus le débit binaire est élevé, plus la période binaire est petite et plus la bande passante du signal est grande. Il existe également une exigence de rapport signal sur bruit (SNR), qui est liée à l'amplitude du signal. Vu verticalement, plus l'ouverture du diagramme de l'œil est petite, plus il est difficile de distinguer le signal d'origine du récepteur à un rapport signal sur bruit fixe.

Figure1：Schéma schématique du principe PAM4

Existe-t-il un autre moyen de doubler le débit binaire ? Une façon consiste à sérialiser les flux à deux bits. Utilisez un canal 56 Gbit/s au lieu de deux canaux 28 Gbit/s. Ainsi, dans le cycle de débit original de 28 Gbit/s, le débit actuel atteint 56 Gbit/s. Comme on peut le voir sur le diagramme en oeil du signal ML, son amplitude est toujours A, mais la période devient T/2. Si la période de bit est réciproque, la largeur de bande de signal 2/T est obtenue. A reste inchangé, c'est-à-dire que le rapport signal sur bruit reste inchangé, mais la bande passante du signal est doublée.

Nous avons besoin d'un moyen de multiplier le débit binaire sans augmenter la bande passante, et c'est là que PAM4 excelle. Le diagramme de l'œil du PAM4 est inhabituel, avec 3 yeux ouverts et 4 amplitudes lorsqu'il est vu longitudinalement, avec une période de symbole de T. Cependant, la plage d'ouverture de chaque œil est de A/3 et l'exigence de bande passante correspondante est de 1/T. De cette façon, nous obtenons un signal de 56 Gbit/s, qui est identique à la bande passante M ou L du signal monocanal de 28 Gbit/s, mais le rapport signal/bruit est lié à A/3, donc PAM4 a un marché-off entre le rapport signal sur bruit et la bande passante du signal.

De nombreuses liaisons série sont limitées en bande passante, il est donc difficile d'augmenter 28 Gbit/s en raccourcissant la période de bit. Cependant, lorsqu'il y a de la place pour le SNR, c'est un bon choix de sacrifier une partie du coût du SNR en échange du schéma PAM4 avec un taux doublé.

WQu'est-ce que la technologie DSP ?

Pour les systèmes de communication optique à courte distance, les principaux facteurs à prendre en compte sont : 1) la dispersion chromatique, c'est-à-dire que différentes longueurs d'onde correspondent à différentes vitesses de groupe, ce qui entraîne un élargissement des impulsions et une distorsion du signal. Par conséquent, la bande O avec une plus petite dispersion chromatique est sélectionnée pour la longueur d'onde de travail ; 2) effet de filtrage passe-bas causé par une bande passante insuffisante de l'appareil ; 3) rotation de polarisation. En raison de la courte distance de transmission, la dispersion modale de polarisation n'est pas prise en compte. L'influence apportée par ces facteurs peut être compensée par la DSP.

DSP est une technologie de traitement du signal numérique, et la puce DSP fait référence à la puce qui peut réaliser la technologie de traitement du signal numérique. C'est un microprocesseur rapide et puissant. La particularité est qu'il peut traiter les données en temps réel. L'intérieur de la puce DSP adopte une structure Harvard avec des programmes et des données séparés et dispose d'un multiplicateur matériel dédié, qui peut être utilisé pour implémenter rapidement divers algorithmes de traitement du signal numérique. Dans le contexte de l'ère numérique, le DSP est devenu un appareil de base dans les domaines des communications, de l'informatique et de l'électronique grand public.

Dans le système de communication optique à courte distance, les principales fonctions de l'émetteur DSP sont :

1) Technologie de codage FEC (forward error correction). Son principe de base est d'utiliser la méthode de codage redondant, qui présente l'avantage de corriger automatiquement les erreurs de transmission.

2) Mappage bit à symbole

3) Rééchantillonnage

4) Mise en forme des impulsions

5) CAD

Les fonctions principales du récepteur DSP sont :

1) CAN

2) Rééchantillonnage

3) Resynchronisation

4) Égaliseur adaptatif, qui ajuste automatiquement ses coefficients en fonction de la mesure des caractéristiques du canal pour s'adapter aux changements des caractéristiques du canal, compenser le signal et éliminer les interférences inter-symboles

5) décodage FEC

Nous avons comparé les exigences de configuration DSP correspondant à trois méthodes de modulation différentes. Les trois formats de modulation sont(1) PAM ; (2) CAP (modulation d'amplitude et de phase sans porteuse); (3) DMT (modulation multi-tons discrète). La configuration DSP correspondant à ces trois méthodes de modulation est illustrée dans la figure suivante.

Figure2：Configuration DSP correspondant aux trois méthodes de modulation

Pour PAM, les fonctions de mise en forme d'impulsion et de préaccentuation au niveau de l'émetteur sont utilisées pour compenser les limitations de bande passante du DAC et la non-linéarité du dispositif émetteur. Un égaliseur adaptatif au niveau du récepteur est utilisé pour compenser les pertes au niveau de l'émetteur et du canal.

Pour le CAP, l'émetteur utilise deux filtres de mise en forme pour former un signal de modulation d'amplitude en quadrature (QAM). La fonction de pré-amélioration est similaire à celle du codage PAM, qui est également utilisé pour la compensation. A la réception, le signal est divisé en deux canaux pour le traitement, et enfin, le signal QAM est synthétisé.

Quant au DMT, il bénéficie d'une efficacité spectrale élevée, d'une tolérance élevée aux pertes et d'un codage flexible. Côté émission, la fonction S/P convertit les informations série en blocs parallèles. La fonction IFFT convertit le signal dans le domaine temporel. Les interférences entre blocs parallèles peuvent être évitées en ajoutant un préfixe cyclique. Du côté réception, c'est l'opération inverse de la fonction d'envoi.

La complexité du DSP affecte directement le coût et la consommation électrique des modules optiques. Les trois méthodes de modulation ont des modules DSP communs, y compris le codec FEC, le mappage/démappage de bits, le DAC, l'ADC, etc. En comparaison, la méthode PAM nécessite moins de modules, et CAP et DMT nécessitent des unités de filtrage supplémentaires, qui sont plus compliquées. Les avantages et les inconvénients de ces méthodes de modulation sont comparés dans le tableau suivant.

Tableau 1：Comparaison des avantages et des inconvénients des trois formats de modulation

RS signifie sensibilité du récepteur, RIN signifie bruit d'intensité relative. En comparaison, la méthode PAM-4 est le meilleur choix, elle peut réaliser simplement une communication optique à courte distance et offre d'excellentes performances. À l'heure actuelle, la plupart des modules optiques de démonstration 400G sont basés sur la méthode PAM-4.

Une partie très importante de l'AOC 400G QSFP-DD est la conception du circuit de récupération du signal. Dans le passé, la récupération de signal utilisait des circuits CDR (récupération d'horloge et de données). Dans l'interface de conversion électrique-optique, le signal série à grande vitesse traverse la carte de circuit imprimé à perte élevée, ce qui entraîne une grave dégradation de la qualité du signal. Le signal est récupéré par le PAM4 CDR, obtenant ainsi une horloge et des données à faible gigue. Au niveau de l'interface de conversion électro-optique, en raison de la perte d'insertion du modulateur électro-optique et de la perte de transmission de la fibre optique, le signal avec perte reçu par le photodétecteur nécessite également un CDR pour la récupération des données.

Figure3：Schéma DSP basé sur la modulation PAM4

Cependant, en termes de performances, l'amélioration du CDR pour l'ensemble du circuit est bien inférieure à celle du DSP. Le DSP est une puce de traitement numérique à grande vitesse. En plus de fournir la fonction de récupération d'horloge numérique que le CDR peut fournir, il peut également effectuer des opérations de compensation de dispersion sur 400G QSFP-DD AOC produits pour éliminer les facteurs d'interférence tels que le bruit et la non-linéarité. Limité par la taille du boîtier du module optique, 400G QSFP-DD AOC n'a pas beaucoup de canaux parallèles et couplé à la bande passante limitée des appareils électro-optiques, les gens doivent augmenter le taux d'onde unique.

Pour les applications à onde unique au-dessus de 100G, la puce de pilote électrique actuelle et les dispositifs optiques à l'extrémité de réception sont incapables d'atteindre la bande passante au-dessus de 50 GHz, cela équivaut donc à introduire un filtre passe-bas du côté de l'émetteur, ce qui se manifeste dans le domaine temporel comme interférence inter-code.

En prenant l'application du PAM100 4G à onde unique comme exemple, le dispositif de modulation avec une bande passante insuffisante rendra la largeur de l'œil de son signal très petite. De plus, la récupération d'horloge basée sur la PLL analogique passée ne peut pas trouver le meilleur point d'échantillonnage, de sorte que le récepteur ne peut pas récupérer le signal correct.

Après l'introduction du DSP, le signal peut être directement compressé à l'extrémité de transmission, et le signal peut être récupéré par le filtre FIR adaptatif à l'extrémité de réception. Cette méthode peut modifier l'influence de la bande passante analogique incontrôlable dans le dispositif de modulation/réception en une compression de spectre numérique connue, réduisant ainsi le besoin de bande passante du dispositif optique.

Figure4：Schéma de l'œil du FiberMall 400G QSFP-DD AOC

En général, par rapport au circuit CDR, le produit AOC QSFP-DD 400G utilisant la solution DSP a une consommation d'énergie et un coût plus élevés. Cependant, il a une meilleure capacité à traiter les signaux, qui se manifeste principalement par la forte adaptabilité du port électrique, les bonnes performances optoélectroniques, etc.

Cconclusion：

Ce qui précède sont les technologies de base des produits AOC QSFP-DD 400G - technologie PAM4 et DSP. La technologie PAM4 surmonte la faible capacité de la modulation NRZ traditionnelle à un débit de 56G et double le débit binaire sans augmenter la bande passante. Cependant, PAM4 sacrifie le rapport signal sur bruit, rendant les produits AOC QSFP-DD 400G plus sensibles au bruit, et les puces DSP compensent simplement les inconvénients de la technologie PAM4.