Principais tecnologias em 400G QSFP-DD AOC: PAM4 e DSP

Para suportar a taxa de transmissão de 400 Gbit/s, o modo de transmissão x4 Gbit/s de 100 canais usando a modulação PAM pode reduzir a complexidade do projeto e o consumo de energia do transceptor. Nota-se que em comparação com moduladores Mach-Zehnder baseados em modulação externa (MZMs), os esquemas de modulação interna usando Laser Modulado por Eletroabsorção (EMLs) e lasers modulados diretamente (DMLs) são menos caros e mais simples no projeto.

Mas dois gargalos limitam o desempenho do sistema: a limitação da largura de banda de modulação do dispositivo optoeletrônico e o problema de deficiência não linear durante a modulação e demodulação. Muitos métodos de processamento de sinal digital (DSP) foram propostos para lidar com essas duas limitações, como equalização de feedback de julgamento, equalização Volterra não linear, etc., todos os quais requerem alta complexidade computacional no lado do receptor.

Tecnologia PAM4

Devido aos requisitos da tecnologia 400G, é necessário aplicar os requisitos de taxa de 56G ou 112G de canal único, mas a perda de canal e o custo de introdução de reflexão de sinais 56G/112G são muito altos e a tolerância à diafonia do canal é bastante reduzida . A atual tecnologia NRZ é difícil de romper a taxa de transmissão 56G de canal único. Portanto, a indústria introduziu a tecnologia PAM4 para resolvê-lo.

PAM4 é um tipo de tecnologia PAM (Pulse Amplitude Modulation). Seus métodos de modulação incluem métodos de implementação de DAC digitais baseados em DSP e métodos Combine baseados em analógicos. O modo analógico mainstream pode operar adicionando dois canais de sinais NRZ, e o modelo digital é baseado em um DAC de alta velocidade para saída rápida de níveis 0/1/2/3.

Conforme mostrado na figura, o PAM4 é modulado por amplitude de quatro níveis, e cada valor de nível pode transportar informações de dois bits, ao custo de ser mais sensível ao ruído. Se observarmos o diagrama de olho de um sinal NRZ, assumindo que o período do bit é T e a amplitude é A, então a largura de banda do canal é o inverso do período do bit (1/T). Quanto maior a taxa de bits, menor o período de bits e maior a largura de banda do sinal. Há também um requisito de relação sinal-ruído (SNR), que está relacionado à amplitude do sinal. Visto verticalmente, quanto menor a abertura do diagrama de olho, mais difícil é distinguir o sinal original do receptor em uma relação sinal-ruído fixa.

Figura 1: Diagrama esquemático do princípio PAM4

Existe alguma outra maneira de dobrar a taxa de bits? Uma maneira é serializar os fluxos de dois bits. Use um canal de 56 Gbit/s em vez de dois canais de 28 Gbit/s. Assim, no ciclo de taxa original de 28 Gbit/s, a taxa atual atinge 56 Gbit/s. Como pode ser visto no diagrama de olho do sinal ML, sua amplitude ainda é A, mas o período se torna T/2. Se o período de bit for recíproco, a largura de banda do sinal 2/T é obtida. A permanece inalterado, ou seja, a relação sinal-ruído permanece inalterada, mas a largura de banda do sinal é dobrada.

Precisamos de uma maneira de multiplicar a taxa de bits sem aumentar a largura de banda, e é aí que o PAM4 se destaca. O diagrama de olho do PAM4 é incomum, com 3 olhos abertos e 4 amplitudes quando vistos longitudinalmente, com um período de símbolo de T. No entanto, a faixa de abertura de cada olho é A/3, e o requisito de largura de banda correspondente é 1/T. Desta forma, obtemos um sinal de 56 Gbit/s, que é o mesmo que a largura de banda M ou L do sinal de canal único de 28 Gbit/s, mas a relação sinal-ruído está relacionada a A/3, então o PAM4 tem um comércio-off entre a relação sinal-ruído e a largura de banda do sinal.

Muitos links seriais têm largura de banda restrita, portanto, é difícil aumentar 28 Gbit/s encurtando o período de bits. No entanto, quando há espaço para o SNR, é uma boa opção sacrificar parte do custo do SNR em troca do esquema PAM4 com tarifa dobrada.

Wqual é a tecnologia DSP?

Para sistemas de comunicação óptica de curta distância, os principais fatores a serem considerados são: 1) dispersão cromática, ou seja, diferentes comprimentos de onda correspondem a diferentes velocidades de grupo, resultando em alargamento de pulso e distorção do sinal. Portanto, a banda O com menor dispersão cromática é selecionada para comprimento de onda de trabalho; 2) efeito de filtragem passa-baixa causado por largura de banda insuficiente do dispositivo; 3) rotação de polarização. Devido à curta distância de transmissão, a dispersão do modo de polarização não é considerada. A influência trazida por esses fatores pode ser compensada pelo DSP.

DSP é tecnologia de processamento de sinal digital, e chip DSP refere-se ao chip que pode realizar a tecnologia de processamento de sinal digital. É um microprocessador rápido e poderoso. O recurso exclusivo é que ele pode processar dados em tempo real. O interior do chip DSP adota uma estrutura Harvard com programas e dados separados e possui um multiplicador de hardware dedicado, que pode ser usado para implementar rapidamente vários algoritmos de processamento de sinal digital. No contexto da era digital, o DSP tornou-se um dispositivo básico nas áreas de comunicações, computadores e eletrônicos de consumo.

No sistema de comunicação óptica de curta distância, as principais funções do transmissor DSP são:

1) Tecnologia de codificação FEC (correção direta de erros). Seu princípio básico é utilizar o método de codificação redundante, que tem a vantagem de corrigir automaticamente os erros de transmissão.

2) Mapeamento de bit para símbolo

3) Reamostragem

4) Modelagem de pulso

5) DAC

As principais funções do receptor DSP são:

1) CDA

2) Reamostragem

3) Reprogramação

4) Equalizador adaptativo, que ajusta automaticamente seus coeficientes com base na medição das características do canal para se adaptar às mudanças nas características do canal, compensar o sinal e eliminar a interferência entre símbolos

5) Decodificação FEC

Comparamos os requisitos de configuração do DSP correspondentes a três métodos de modulação diferentes. Os três formatos de modulação são (1) PAM; (2) CAP (modulação de amplitude e fase sem portadora); (3) DMT (modulação multi-tom discreta). A configuração do DSP correspondente a esses três métodos de modulação é mostrada na figura a seguir.

Figura 2：Configuração DSP correspondente aos três métodos de modulação

Para PAM, as funções de modelagem de pulso e pré-ênfase no transmissor são usadas para compensar as limitações de largura de banda do DAC e a não linearidade do dispositivo transmissor. Um equalizador adaptativo no receptor é usado para compensar as perdas no transmissor e no canal.

Para o CAP, o transmissor usa dois filtros de modelagem para formar um sinal de modulação de amplitude de quadratura (QAM). A função de pré-reforço é semelhante à da codificação PAM, que também é usada para compensação. Na extremidade receptora, o sinal é dividido em dois canais para processamento e, finalmente, o sinal QAM é sintetizado.

Quanto ao DMT, possui alta eficiência espectral, alta tolerância à perda e codificação flexível. No lado da transmissão, a função S/P converte as informações seriais em blocos paralelos. A função IFFT converte o sinal para o domínio do tempo. A interferência entre blocos paralelos pode ser evitada adicionando um prefixo cíclico. Na extremidade receptora, é a operação inversa da função da extremidade emissora.

A complexidade do DSP afeta diretamente o custo e o consumo de energia dos módulos ópticos. Os três métodos de modulação têm alguns módulos DSP comuns, incluindo codec FEC, mapeamento/desmapeamento de bits, DAC, ADC, etc. Em comparação, o método PAM requer menos módulos, e CAP e DMT requerem unidades de filtro adicionais, que são mais complicadas. Os prós e contras desses métodos de modulação são comparados na tabela a seguir.

Tabela 1: Comparação das vantagens e desvantagens dos três formatos de modulação

RS significa sensibilidade do receptor, RIN significa ruído de intensidade relativa. Em comparação, o método PAM-4 é a melhor escolha, pode realizar comunicação óptica de curta distância de forma simples e tem excelente desempenho. Atualmente, a maioria dos módulos ópticos de demonstração 400G são baseados no método PAM-4.

Uma parte muito importante do 400G QSFP-DD AOC é o design do circuito de recuperação de sinal. No passado, a recuperação de sinal usava circuitos CDR (relógio e recuperação de dados). Na interface de conversão elétrico-óptica, o sinal serial de alta velocidade passa pela placa de circuito de alta perda, resultando em séria degradação da qualidade do sinal. O sinal é recuperado pelo CDR PAM4, obtendo assim um clock e dados de baixo jitter. Na interface de conversão eletro-óptica, devido à perda de inserção do modulador eletro-óptico e à perda de transmissão da fibra óptica, o sinal com perdas recebido pelo fotodetector também necessita de CDR para recuperação de dados.

Figura 3：Esquema DSP baseado na modulação PAM4

No entanto, em termos de desempenho, a melhoria do CDR para todo o circuito é muito menor do que a do DSP. DSP é um chip de processamento digital de alta velocidade. Além de fornecer a função de recuperação de relógio digital que o CDR pode fornecer, ele também pode executar operações de compensação de dispersão em 400G QSFP-DD AOC produtos para remover fatores de interferência como ruído e não linearidade. Limitado pelo tamanho do pacote do módulo óptico, o 400G QSFP-DD AOC não possui muitos canais paralelos e, juntamente com a largura de banda limitada dos dispositivos eletro-ópticos, as pessoas devem aumentar a taxa de onda única.

Para aplicações de onda única acima de 100G, o chip do driver elétrico atual e os dispositivos ópticos na extremidade receptora não conseguem atingir a largura de banda acima de 50GHz, portanto, é equivalente a introduzir um filtro passa-baixa no lado do transmissor, que se manifesta no domínio do tempo como interferência entre códigos.

Tomando como exemplo a aplicação do PAM100 4G de onda única, o dispositivo de modulação com largura de banda insuficiente fará com que a largura do olho de seu sinal seja muito pequena. Além disso, a recuperação do relógio com base no PLL analógico anterior não consegue encontrar o melhor ponto de amostragem, de modo que o receptor não pode recuperar o sinal correto.

Após a introdução do DSP, o sinal pode ser comprimido diretamente na extremidade de transmissão e o sinal pode ser recuperado pelo filtro FIR adaptativo na extremidade de recepção. Este método pode alterar a influência da largura de banda analógica incontrolável no dispositivo de modulação/recepção em uma compressão de espectro digital conhecida, reduzindo a necessidade de largura de banda do dispositivo óptico.

Figura 4: Diagrama de olho do FiberMall 400G QSFP-DD AOC

Em geral, comparado com o circuito CDR, o produto 400G QSFP-DD AOC usando a solução DSP tem maior consumo de energia e custo. No entanto, tem uma melhor capacidade de processar sinais, manifestada principalmente na forte adaptabilidade da porta elétrica, bom desempenho optoeletrônico e assim por diante.

Cinclusão：

Acima estão as principais tecnologias dos produtos 400G QSFP-DD AOC – tecnologia PAM4 e DSP. A tecnologia PAM4 supera a capacidade fraca da modulação NRZ tradicional a uma taxa de 56G e duplica a taxa de bits sem aumentar a largura de banda. No entanto, o PAM4 sacrifica a relação sinal-ruído, tornando os produtos 400G QSFP-DD AOC mais sensíveis ao ruído, e os chips DSP apenas compensam as desvantagens da tecnologia PAM4.