400G QSFP-DD AOC의 핵심 기술: PAM4 및 DSP

400Gbit/s의 전송 속도를 지원하기 위해 PAM 변조를 사용하는 4채널 x100Gbit/s 전송 모드는 트랜시버의 설계 복잡성과 에너지 소비를 줄일 수 있습니다. 외부 변조 기반 Mach-Zehnder 변조기(MZM)와 비교할 때 EML(Electro Absorption Modulated Laser) 및 DML(직접 변조 레이저)을 사용하는 내부 변조 방식은 설계가 저렴하고 단순합니다.

그러나 두 가지 병목 현상이 시스템 성능을 제한합니다. 광전자 장치의 변조 대역폭 제한과 변조 및 복조 중 비선형 손상 문제입니다. 판단 피드백 등화, 비선형 볼테라 등화 등과 같은 이러한 두 가지 제한 사항을 해결하기 위해 많은 DSP(디지털 신호 처리) 방법이 제안되었으며, 모두 수신기 측에서 높은 계산 복잡도를 필요로 합니다.

PAM4 기술

400G 기술의 요구 사항으로 인해 단일 채널 56G 또는 112G 속도 요구 사항을 적용해야 하지만 56G/112G 신호의 채널 손실 및 반사 도입 비용이 너무 높고 채널 누화에 대한 허용 오차가 크게 감소합니다. . 현재의 NRZ 기술은 단일 채널 56G 전송 속도를 돌파하기가 어렵습니다. 이에 업계에서는 이를 해결하기 위해 PAM4 기술을 도입했다.

PAM4는 PAM(Pulse Amplitude Modulation) 기술의 일종입니다. 변조 방식에는 DSP 기반 디지털 DAC 구현 방식과 아날로그 기반 Combine 방식이 있습니다. 주류 아날로그 모드는 0채널의 NRZ 신호를 추가하여 작동할 수 있으며 디지털 모델은 1/2/3/XNUMX 레벨의 빠른 출력을 위한 고속 DAC를 기반으로 합니다.

그림과 같이 PAM4는 1레벨 진폭으로 변조되며 각 레벨 값은 XNUMX비트 정보를 전달할 수 있지만 노이즈에 더 민감합니다. NRZ 신호의 아이 다이어그램을 보면 비트 주기가 T이고 진폭이 A라고 가정하면 채널 대역폭은 비트 주기(XNUMX/T)의 역수입니다. 비트 전송률이 높을수록 비트 주기는 작아지고 신호 대역폭은 커집니다. 신호 진폭과 관련된 신호 대 잡음비(SNR) 요구 사항도 있습니다. 수직으로 보면 아이 다이어그램 오프닝이 작을수록 고정된 신호 대 잡음비에서 원래 신호와 수신기를 구별하기가 더 어렵습니다.

그림 1: PAM4 원리의 개략도

비트 전송률을 두 배로 늘리는 다른 방법이 있습니까? 한 가지 방법은 56비트 스트림을 직렬화하는 것입니다. 28Gbit/s 채널 28개 대신 56Gbit/s 채널 2개를 사용합니다. 따라서 원래의 2Gbit/s 속도 주기에서 현재 속도는 XNUMXGbit/s에 도달합니다. 신호 ML의 아이 다이어그램에서 알 수 있듯이 진폭은 여전히 ​​A이지만 주기는 T/XNUMX가 됩니다. 비트 주기를 왕복하면 신호 대역폭 XNUMX/T가 얻어진다. A는 변경되지 않은 상태로 유지됩니다. 즉, 신호 대 잡음비는 변경되지 않지만 신호 대역폭은 두 배가 됩니다.

대역폭을 늘리지 않고 비트 전송률을 늘릴 수 있는 방법이 필요하며, 이것이 PAM4가 뛰어난 점입니다. PAM4의 아이 다이어그램은 기호 주기가 T인 세로로 볼 때 3개의 열린 눈과 4개의 진폭이 있는 특이합니다. 그러나 각 눈의 열림 범위는 A/3이고 해당 대역폭 요구 사항은 1/T입니다. 이러한 방식으로 56Gbit/s 신호를 얻습니다. 이는 28Gbit/s 단일 채널 신호의 M 또는 L 대역폭과 동일하지만 신호 대 잡음비는 A/3과 관련이 있으므로 PAM4는 거래-off 신호 대 잡음비와 신호 대역폭 사이.

많은 직렬 링크는 대역폭이 제한되어 있으므로 비트 주기를 단축하여 28Gbit/s를 늘리기가 어렵습니다. 그러나 SNR에 대한 여유가 있는 경우 두 배의 비율로 PAM4 방식과 교환하여 SNR 비용의 일부를 희생하는 것이 좋습니다.

W모자는 DSP 기술입니까?

근거리 광통신 시스템의 경우 고려해야 할 주요 요소는 다음과 같습니다. 1) 색 분산, 즉 다른 파장은 다른 그룹 속도에 해당하므로 펄스 확장 및 신호 왜곡이 발생합니다. 따라서 작업 파장에 대해 색 분산이 더 작은 O-밴드가 선택됩니다. 2) 불충분한 장치 대역폭으로 인한 저역 통과 필터링 효과; 3) 편광 회전. 전송 거리가 짧기 때문에 편광 모드 분산은 고려되지 않습니다. 이러한 요인으로 인한 영향은 DSP로 보상될 수 있습니다.

DSP는 디지털 신호 처리 기술이며 DSP 칩은 디지털 신호 처리 기술을 구현할 수 있는 칩을 말합니다. 빠르고 강력한 마이크로프로세서입니다. 실시간으로 데이터를 처리할 수 있다는 것이 특징입니다. DSP 칩의 내부는 별도의 프로그램과 데이터가 있는 Harvard 구조를 채택하고 있으며 다양한 디지털 신호 처리 알고리즘을 빠르게 구현하는 데 사용할 수 있는 전용 하드웨어 곱셈기를 가지고 있습니다. 디지털 시대의 맥락에서 DSP는 통신, 컴퓨터 및 가전 제품 분야의 기본 장치가 되었습니다.

근거리 광통신 시스템에서 송신기 DSP의 주요 기능은 다음과 같습니다.

1) FEC(순방향 오류 정정) 코딩 기술. 기본 원리는 전송 오류를 자동으로 수정하는 장점이 있는 중복 코딩 방식을 사용하는 것입니다.

2) 비트-심볼 매핑

3) 재샘플링

4) 펄스 성형

5) DAC

수신기 DSP의 주요 기능은 다음과 같습니다.

1) ADC

2) 재샘플링

3) 리타이밍

4) 채널 특성의 측정을 기반으로 계수를 자동으로 조정하여 채널 특성의 변화에 ​​적응하고 신호를 보상하며 심볼 간 간섭을 제거하는 적응형 이퀄라이저

5) FEC 디코딩

세 가지 다른 변조 방법에 해당하는 DSP 구성 요구 사항을 비교했습니다. 세 가지 변조 형식은(1) PAM; (2) CAP(캐리어 없는 진폭 및 위상 변조); (3) DMT(이산 다중 톤 변조). 이 세 가지 변조 방식에 해당하는 DSP 구성은 다음 그림과 같습니다.

그림 2: 세 가지 변조 방식에 해당하는 DSP 구성

PAM의 경우 송신기의 펄스 성형 및 프리엠퍼시스 기능을 사용하여 DAC의 대역폭 제한과 송신기 장치의 비선형성을 보상합니다. 수신기의 적응형 이퀄라이저는 송신기와 채널의 손실을 보상하는 데 사용됩니다.

CAP의 경우 송신기는 XNUMX개의 성형 필터를 사용하여 QAM(직교 진폭 변조) 신호를 형성합니다. 사전 강화 기능은 보상에도 사용되는 PAM 인코딩과 유사합니다. 수신단에서는 신호를 두 개의 채널로 나누어 처리하고 마지막으로 QAM 신호를 합성합니다.

DMT는 높은 스펙트럼 효율, 높은 손실 내성, 유연한 코딩을 자랑합니다. 전송 측에서 S/P 기능은 직렬 정보를 병렬 블록으로 변환합니다. IFFT 기능은 신호를 시간 영역으로 변환합니다. 순환 접두사를 추가하여 병렬 블록 간의 간섭을 피할 수 있습니다. 수신측에서는 송신측 기능의 역동작입니다.

DSP의 복잡성은 광 모듈의 비용과 전력 소비에 직접적인 영향을 미칩니다. 세 가지 변조 방식에는 FEC 코덱, 비트 매핑/디매핑, DAC, ADC 등을 포함한 몇 가지 일반적인 DSP 모듈이 있습니다. 이에 비해 PAM 방식은 더 적은 수의 모듈이 필요하고 CAP와 DMT 모두 더 복잡한 추가 필터 장치가 필요합니다. 이러한 변조 방법의 장단점은 다음 표에서 비교됩니다.

표 1: 세 가지 변조 형식의 장단점 비교

RS는 수신기 감도를 의미하고 RIN은 상대 강도 노이즈를 의미합니다. 이에 비해 PAM-4 방식이 최선의 선택으로 근거리 광통신을 간단하게 실현할 수 있고 성능도 우수하다. 현재 대부분의 400G 데모 광 모듈은 PAM-4 방식을 기반으로 합니다.

400G QSFP-DD AOC의 매우 중요한 부분은 신호 복구 회로의 설계입니다. 과거에는 신호 복구에서 CDR(클록 및 데이터 복구) 회로를 사용했습니다. 전기 광 변환 인터페이스에서 고속 직렬 신호는 고손실 회로 기판을 통과하여 신호 품질이 심각하게 저하됩니다. 신호는 PAM4 CDR에 의해 복구되어 지터가 낮은 클럭 및 데이터를 얻습니다. 전기 광학 변환 인터페이스에서 전기 광학 변조기의 삽입 손실과 광섬유의 전송 손실로 인해 광검출기가 수신한 손실 신호도 데이터 복구를 위해 CDR이 필요합니다.

그림 3: PAM4 변조 기반 DSP 방식

그러나 성능면에서 전체 회로에 대한 CDR의 향상은 DSP보다 훨씬 적습니다. DSP는 고속 디지털 처리 칩입니다. CDR이 제공할 수 있는 디지털 클럭 복구 기능을 제공하는 것 외에도 분산 보상 작업을 수행할 수 있습니다. 400G QSFP-DD AOC 노이즈 및 비선형성과 같은 간섭 요인을 제거하는 제품. 광 모듈의 패키지 크기로 인해 400G QSFP-DD AOC는 병렬 채널이 많지 않고 전기 광학 장치의 제한된 대역폭과 결합되어 단파 속도를 높여야 합니다.

100G 이상의 단파 애플리케이션의 경우 수신단의 현재 전기 드라이버 칩과 광학 장치는 50GHz 이상의 대역폭에 도달할 수 없으므로 송신기 측에서 저역 통과 필터를 도입하는 것과 동일하며 이는 코드 간 간섭으로서의 시간 영역.

단파 100G PAM4의 적용을 예로 들면 대역폭이 부족한 변조 장치는 신호의 아이 너비를 매우 작게 만듭니다. 게다가 과거 아날로그 PLL에 기반한 클럭 복구는 최적의 샘플링 포인트를 찾지 못해 수신기가 정확한 신호를 복구할 수 없다.

DSP의 도입 후, 신호는 송신단에서 직접 압축될 수 있고 신호는 수신단에서 적응형 FIR 필터에 의해 복구될 수 있습니다. 이 방법은 변조/수신 장치에서 제어할 수 없는 아날로그 대역폭의 영향을 알려진 디지털 스펙트럼 압축으로 변경하여 광 장치 대역폭의 필요성을 줄일 수 있습니다.

그림 4：FiberMall 400G QSFP-DD AOC의 아이 다이어그램

일반적으로 DSP 솔루션을 사용한 400G QSFP-DD AOC 제품은 CDR 회로에 비해 소비전력과 비용이 높다. 그러나 강한 전기 포트 적응성, 우수한 광전자 성능 등에서 주로 나타나는 신호 처리 능력이 더 우수합니다.

C결론:

위의 내용은 400G QSFP-DD AOC 제품의 핵심 기술인 PAM4 및 DSP 기술입니다. PAM4 기술은 56G 속도에서 기존 NRZ 변조의 약한 기능을 극복하고 대역폭을 늘리지 않고 비트 속도를 두 배로 늘립니다. 그러나 PAM4는 신호 대 잡음비를 희생하여 400G QSFP-DD AOC 제품을 잡음에 더 민감하게 만들고 DSP 칩은 PAM4 기술의 단점을 보완할 뿐입니다.