400G QSFP-DD AOCのコアテクノロジー：PAM4およびDSP

400Gbit / sの伝送速度をサポートするために、PAM変調を使用する4チャネルx100Gbit / s伝送モードは、トランシーバーの設計の複雑さとエネルギー消費を削減できます。 外部変調ベースのマッハツェンダー変調器（MZM）と比較して、電気吸収変調レーザー（EML）および直接変調レーザー（DML）を使用する内部変調方式は、より安価で設計が単純であることに注意してください。

しかし、XNUMXつのボトルネックがシステムのパフォーマンスを制限します。オプトエレクトロニクスデバイスの変調帯域幅の制限と、変調および復調中の非線形障害の問題です。 判定フィードバック等化、非線形Volterra等化など、これらXNUMXつの制限に対処するために、多くのデジタル信号処理（DSP）手法が提案されています。これらはすべて、受信機側で高い計算の複雑さを必要とします。

PAM4テクノロジー

400Gテクノロジーの要件により、シングルチャネルの56Gまたは112Gレートの要件を適用する必要がありますが、56G / 112G信号のチャネル損失と反射導入コストが高すぎるため、チャネルクロストークに対する許容度が大幅に低下します。 。 現在のNRZテクノロジーは、シングルチャネルの56G伝送速度を突破することは困難です。 そのため、業界はそれを解決するためにPAM4テクノロジーを導入しました。

PAM4は、一種のPAM（Pulse Amplitude Modulation）テクノロジーです。 その変調方式には、DSPベースのデジタルDAC実装方式とアナログベースの結合方式が含まれます。 主流のアナログモードは、NRZ信号の0つのチャネルを追加することで動作でき、デジタルモデルは1/2/3/XNUMXレベルの高速出力用の高速DACに基づいています。

図に示すように、PAM4は1レベルの振幅で変調され、各レベル値はXNUMXビットの情報を伝送できますが、ノイズの影響を受けやすくなります。 NRZ信号のアイダイアグラムを見ると、ビット周期がTで、振幅がAであると仮定すると、チャネル帯域幅はビット周期（XNUMX / T）の逆数になります。 ビットレートが高いほど、ビット周期は短くなり、信号帯域幅は大きくなります。 信号の振幅に関連する信号対雑音比（SNR）の要件もあります。 垂直方向に見ると、アイダイアグラムの開口部が小さいほど、固定の信号対雑音比で元の信号と受信機を区別するのが難しくなります。

図1：PAM4原理の概略図

ビットレートを56倍にする他の方法はありますか？ 28つの方法は、28ビットストリームをシリアル化することです。 56つの2Gbit/sチャネルではなく、2つのXNUMXGbit/sチャネルを使用します。 したがって、元のXNUMXGbit / sのレートサイクルでは、現在のレートはXNUMXGbit/sに達します。 信号MLのアイダイアグラムからわかるように、その振幅はまだAですが、周期はT/XNUMXになります。 ビット周期を往復させると、信号帯域幅XNUMX/Tが得られます。 Aは変更されません。つまり、信号対雑音比は変更されませんが、信号帯域幅はXNUMX倍になります。

帯域幅を増やさずにビットレートを増やす方法が必要です。これがPAM4が優れている点です。 PAM4のアイダイアグラムは珍しく、縦方向に3つの開いた目と4つの振幅があり、シンボル周期はTです。ただし、各目の開き範囲はA / 3であり、対応する帯域幅要件は1/Tです。 このようにして、56Gbit / sの信号が得られます。これは、28Gbit / sのシングルチャネル信号のMまたはL帯域幅と同じですが、信号対雑音比はA / 3に関連しているため、PAM4は次のようになります。貿易-off 信号対雑音比と信号帯域幅の間。

多くのシリアルリンクは帯域幅に制約があるため、ビット周期を短くして28Gbit/sを増やすことは困難です。 ただし、SNRの余地がある場合は、4倍のレートのPAMXNUMXスキームと引き換えに、SNRコストの一部を犠牲にすることをお勧めします。

WDSPテクノロジーは何ですか？

短距離光通信システムの場合、考慮すべき主な要因は次のとおりです。1）波長分散、つまり、異なる波長が異なる群速度に対応し、パルスの広がりと信号の歪みが発生します。 したがって、動作波長には、色分散が小さいOバンドが選択されます。 2）不十分なデバイス帯域幅によって引き起こされるローパスフィルタリング効果。 3）偏光回転。 伝送距離が短いため、偏波モードの分散は考慮されていません。 これらの要因によってもたらされる影響は、DSPによって補償することができます。

DSPはデジタル信号処理技術であり、DSPチップとはデジタル信号処理技術を実現できるチップのことです。 これは高速で強力なマイクロプロセッサです。 ユニークな機能は、リアルタイムでデータを処理できることです。 DSPチップの内部は、個別のプログラムとデータを備えたハーバード構造を採用し、さまざまなデジタル信号処理アルゴリズムを迅速に実装するために使用できる専用のハードウェア乗算器を備えています。 デジタル時代の文脈では、DSPは通信、コンピューター、および家庭用電化製品の分野で基本的なデバイスになりました。

短距離光通信システムでは、送信機DSPの主な機能は次のとおりです。

1）FEC（前方誤り訂正）コーディング技術。 その基本原理は、伝送エラーを自動的に修正するという利点がある冗長コーディング方式を使用することです。

2）ビットからシンボルへのマッピング

3）再サンプリング

4）パルス整形

5）DAC

レシーバーDSPの主な機能は次のとおりです。

1）ADC

2）再サンプリング

3）リタイミング

4）チャネル特性の測定に基づいて係数を自動的に調整し、チャネル特性の変化に適応し、信号を補償し、符号間干渉を排除するアダプティブイコライザー

5）FECデコード

1つの異なる変調方式に対応するDSP構成要件を比較しました。 2つの変調フォーマットは次のとおりです。（3）PAM。 （XNUMX）CAP（キャリアレス振幅および位相変調）; （XNUMX）DMT（ディスクリートマルチトーン変調）。 次の図に、これらXNUMXつの変調方式に対応するDSP構成を示します。

図2：XNUMXつの変調方式に対応するDSP構成

PAMの場合、送信機のパルス整形およびプリエンファシス機能を使用して、DACの帯域幅制限と送信機デバイスの非線形性を補正します。 受信機の適応イコライザーは、送信機とチャネルでの損失を補償するために使用されます。

CAPの場合、送信機はXNUMXつの整形フィルターを使用して直交振幅変調（QAM）信号を形成します。 プリエンハンスメントの機能は、補正にも使用されるPAMエンコーディングの機能と似ています。 受信側では、信号をXNUMXつのチャネルに分割して処理し、最後にQAM信号を合成します。

DMTに関しては、高いスペクトル効率、高い損失耐性、および柔軟なコーディングを誇っています。 送信側では、S/P機能がシリアル情報をパラレルブロックに変換します。 IFFT関数は、信号を時間領域に変換します。 サイクリックプレフィックスを追加することで、並列ブロック間の干渉を回避できます。 受信側では、送信側の関数の逆の操作です。

DSPの複雑さは、光モジュールのコストと消費電力に直接影響します。 XNUMXつの変調方式には、FECコーデック、ビットマッピング/デマッピング、DAC、ADCなどを含むいくつかの一般的なDSPモジュールがあります。これに対して、PAM方式では必要なモジュールが少なく、CAPとDMTの両方で必要な追加のフィルターユニットが必要です。 これらの変調方式の長所と短所を次の表で比較します。

表1：XNUMXつの変調方式の長所と短所の比較

RSは受信機の感度を意味し、RINは相対強度ノイズを意味します。 それに比べて、PAM-4方式が最適であり、短距離光通信を簡単に実現でき、優れた性能を発揮します。 現在、400Gデモ用光モジュールのほとんどはPAM-4方式に基づいています。

400G QSFP-DD AOCの非常に重要な部分は、信号回復回路の設計です。 以前は、信号リカバリはCDR（クロックおよびデータリカバリ）回路を使用していました。 電気光学変換インターフェースでは、高速シリアル信号が高損失回路基板を通過するため、信号品質が大幅に低下します。 信号はPAM4CDRによって回復され、それによって低ジッタのクロックとデータが取得されます。 電気光学変換インターフェースでは、電気光学変調器の挿入損失と光ファイバの伝送損失のために、光検出器が受信する損失のある信号もデータ回復のためにCDRを必要とします。

図3：PAM4変調に基づくDSP方式

ただし、パフォーマンスの点では、回路全体のCDRの改善はDSPの改善よりはるかに少ないです。 DSPは高速デジタル処理チップです。 CDRが提供できるデジタルクロックリカバリ機能を提供することに加えて、CDRは分散補償操作を実行することもできます。 400G QSFP-DD AOC ノイズや非線形性などの干渉要因を除去する製品。 光モジュールのパッケージサイズによって制限される400GQSFP-DDAOCには、多くの並列チャネルがなく、電気光学デバイスの限られた帯域幅と相まって、人々は単一波レートを上げる必要があります。

100Gを超える単一波アプリケーションの場合、受信側の現在の電気ドライバーチップと光デバイスは50GHzを超える帯域幅に到達できないため、送信機側にローパスフィルターを導入するのと同じです。コード間干渉としての時間領域。

単一波100GPAM4のアプリケーションを例にとると、帯域幅が不十分な変調デバイスでは、信号のアイ幅が非常に小さくなります。 さらに、過去のアナログPLLに基づくクロックリカバリでは、最適なサンプリングポイントを見つけることができないため、レシーバは正しい信号をリカバリできません。

DSPの導入後、信号は送信側で直接圧縮でき、信号は受信側の適応FIRフィルターによって復元できます。 この方法は、変調/受信デバイスの制御不能なアナログ帯域幅の影響を既知のデジタルスペクトル圧縮に変更し、光デバイスの帯域幅の必要性を減らすことができます。

図4：FiberMall 400G QSFP-DD AOCのアイダイアグラム

一般に、CDR回路と比較して、DSPソリューションを使用した400G QSFP-DD AOC製品は、消費電力とコストが高くなります。 ただし、信号を処理する能力は優れており、主に強力な電気ポートの適応性、優れたオプトエレクトロニクス性能などに表れています。

Cオンクルージョン：

上記は、400G QSFP-DDAOC製品のコアテクノロジーであるPAM4およびDSPテクノロジーです。 PAM4テクノロジーは、56Gレートでの従来のNRZ変調の弱い能力を克服し、帯域幅を増やすことなくビットレートを4倍にします。 ただし、PAM400は信号対雑音比を犠牲にして、4G QSFP-DD AOC製品をノイズに対してより敏感にし、DSPチップはPAMXNUMXテクノロジの欠点を補うだけです。