Technologie DSP dans les communications optiques cohérentes

Abstract

La technologie de transmission optique cohérente est devenue un élément essentiel des réseaux à fibre optique longue distance de grande capacité. Cette technologie de modulation avancée peut coder les données en amplitude, phase et polarisation de la lumière. Le cœur de chaque émetteur-récepteur cohérent est un processeur de signal numérique (DSP) très complexe, qui effectue le traitement du signal crucial pour obtenir une transmission cohérente. Cet article fournit un aperçu complet des différentes fonctions du moteur électronique de l'émetteur-récepteur cohérent, en mettant l'accent sur le DSP, et résume les derniers développements et les défis futurs de la technologie DSP.

Introduction

Au cours des dernières décennies, le trafic Internet mondial a connu une croissance exponentielle, doublant tous les deux ans. Cette croissance soutenue découle de l'énorme demande d'applications gourmandes en bande passante, telles que le streaming vidéo, le cloud computing, les médias sociaux et le grand nombre d'appareils en réseau pilotés par l'Internet des objets (IoT). Pour faire face à l'explosion des données, les fournisseurs de services ont transformé le réseau de transmission optique de base, passant de simples liaisons point à point à des topologies maillées flexibles et à haut débit. Cependant, le recours à la technologie de transmission optique traditionnelle limite la capacité et la distance de transmission, devenant ainsi un goulot d'étranglement pour la croissance future.

La technologie de transmission cohérente s’est imposée comme la solution, permettant au réseau central d’augmenter de 100 fois le volume de données transmises sur une seule fibre. Ce schéma de modulation avancé code les informations selon trois attributs de la lumière : l'amplitude, la phase et la polarisation. La transmission cohérente ouvre la capacité et la distance de transmission bien au-delà des simples transmissions traditionnelles.off techniques de saisie.

Le cœur de chaque émetteur-récepteur cohérent est un processeur de signal numérique (DSP) très complexe composé de circuits électroniques dédiés et d'algorithmes avancés. Le DSP effectue le traitement du signal essentiel pour obtenir une transmission cohérente, notamment le codage/décodage des données, la compensation des déficiences des canaux, la surveillance des performances, etc. L'innovation du DSP a été le catalyseur de la révolution technologique de transmission cohérente au cours de la dernière décennie.

À mesure que le trafic Internet mondial augmente rapidement, les capacités d’une technologie cohérente doivent également être améliorées en conséquence. L'amélioration du DSP en termes de distance de transmission, d'efficacité et de consommation d'énergie offre à l'industrie d'importantes opportunités de continuer à améliorer les émetteurs-récepteurs cohérents pour répondre à nos besoins en données. Cet article fournira un aperçu complet des différentes fonctions du moteur électronique de l'émetteur-récepteur cohérent, en se concentrant sur le DSP. Il résumera également les derniers développements et défis de la technologie DSP.

Le moteur électronique des émetteurs-récepteurs cohérents

Le DSP fait partie d'un système électronique plus vaste à l'intérieur de chaque émetteur-récepteur cohérent, appelé moteur électronique. Comme le montre la figure 1, le moteur se compose des composants clés suivants :

• Les circuits de traitement analogique convertissent les signaux entre les formats analogiques et numériques. La transmission par fibre optique est constituée de signaux optiques analogiques, mais le traitement des données est numérique. La conversion de format est requise lors de la transmission et de la réception de signaux.
• Le traitement du signal numérique (DSP) code/décode les données et compense les déficiences des canaux. Il s’agit de la fonction principale du traitement du signal.
• Correction d'erreur directe (FEC), qui améliore la tolérance au bruit et à la distorsion. FEC permet aux liens cohérents de gérer des taux d’erreur un million de fois supérieurs à ceux des liens de détection directe traditionnels.
• Bridge, qui convertit les données entre les formats Ethernet et Optical Transport Network (OTN).
• Collez des circuits logiques, tels que des microprocesseurs, des convertisseurs série/parallèle (SERDES), etc., pour connecter les différents modules.

Chaque module du moteur électronique contient des circuits et des algorithmes dédiés, ce qui en fait une propriété intellectuelle distincte. Par conséquent, le développement de l’ensemble du moteur nécessite une expertise dans divers domaines.

Figure 1. Disposition du moteur électronique pour les émetteurs-récepteurs optiques cohérents, y compris l'ordre de traitement du signal par le moteur.

Les fondamentaux du DSP

Se concentrant désormais sur l'unité DSP elle-même, ce module effectue le travail clé de mappage des données numériques aux attributs du signal optique et vice versa.

La technologie de base permettant de réaliser ce mappage est appelée modulation orthogonale, qui code les données selon l'amplitude et la phase du signal optique. Un schéma de modulation orthogonale à quatre états est appelé Quadrature Phase Shift Keying (QPSK). Des variantes plus avancées telles que la modulation d'amplitude en quadrature à 16 états (16-QAM) peuvent atteindre des débits de données plus élevés.

Comme le montre la figure 2, certaines des fonctions principales du DSP comprennent :

• Encodage/décodage des données en phase et polarisation à l'aide de schémas de modulation orthogonale.
• Insertion de signaux pilotes pour aider le récepteur dans le décodage. Le pilote fournit une référence pour la phase et la polarisation.
• Égalisation adaptative pour compenser la distorsion du spectre du signal causée par le canal fibre.
• Compensation de dispersion pour contrecarrer l'effet de dispersion qui provoque la propagation des impulsions optiques.
• Compensation non linéaire pour atténuer les effets non linéaires tels que le mélange automatique de phases.
• Mise en forme spectrale à l'aide de filtres numériques pour obtenir une utilisation maximale de la bande passante.

Figure 2. Disposition et séquence des modules DSP suivis lorsque le signal est transmis et reçu

Dernières avancées en matière de technologie DSP

Pour l’avenir, deux directions importantes pour l’avancement du DSP sont la distance/efficacité de transmission et l’efficacité énergétique. Les technologies telles que la mise en forme probabiliste de constellation (PCS) et les formats de modulation plus rapides ont un brillant avenir.

Comme le montre la figure 3, PCS utilise les points de constellation de signaux de manière non uniforme, transmettant plus de bits sous un budget de puissance donné. Le PCS apporte des avantages significatifs, notamment une distance de transmission accrue, une meilleure tolérance non linéaire et une plus grande flexibilité.

En ce qui concerne les formats de modulation, l'industrie passe progressivement des premiers systèmes QPSK à une modulation d'ordre supérieur telle que 16-QAM et 64-QAM. Cependant, des algorithmes DSP améliorés sont nécessaires pour gérer la distorsion accrue de ces formats de modulation haute densité.

En termes d'efficacité énergétique, le DSP a consommé environ 50 % de l'énergie totale des émetteurs-récepteurs cohérents. L'augmentation de la capacité et de la bande passante augmentera encore la demande d'énergie pour les puces DSP. La puissance DSP évolue en fonction de la bande passante, du format de modulation, du FEC et d'autres fonctions de traitement. Par conséquent, une optimisation intelligente du DSP et de ses connexions électriques est cruciale pour une expansion future.

Figure 3. Comparaison du 16-QAM conventionnel et du 16-QAM probabiliste de mise en forme de constellation (PCS). Source image : Infinera.

Résumé

Au cours de la dernière décennie, l’innovation DSP a été un catalyseur révolutionnaire pour une technologie de transmission cohérente dans les réseaux optiques. Mais nous ne pouvons pas rester les bras croisés, alors que le trafic Internet mondial continue de croître rapidement sous l’impulsion des applications à haut débit telles que la vidéo, la réalité virtuelle et l’Internet des objets.

L'amélioration du DSP en termes de distance de transmission, d'efficacité et de consommation d'énergie offre à l'industrie d'importantes opportunités de continuer à améliorer les émetteurs-récepteurs cohérents. Avec la croissance des services à large bande passante, le DSP continuera à être le cœur numérique du réseau optique de nouvelle génération, permettant à la capacité de la fibre de répondre à la demande de données. L’innovation continue de DSP est essentielle pour éviter une pénurie de capacité et maintenir la croissance du monde numérique.