Qual é a diferença entre 50G SFP56 e QSFP28?

Introdução

Com o advento da era da Tecnologia de Comunicação Móvel de 5ª Geração (5G), a tradicional densidade da estação base da Tecnologia de Comunicação Móvel de 4ª Geração (4G) não pode mais atender ao grande aumento da demanda por largura de banda 5G. Em novembro de 2021, a China construiu e abriu 1.39 milhão de estações base 5G, representando mais de 60% do total global, e planeja construir mais de 600,000 novas estações base 5G em 2022. O Fiber Mall demonstrou por meio de análises e testes teóricos que o design do módulo óptico pode ser usado em um Quad Small Form-factor Pluggable (QFFP) com maior desempenho, menor custo, menor consumo de energia e melhor implantação. Por meio de análises e testes teóricos, o Fiber Mall demonstrou que o módulo óptico 50G de fator de forma pequeno plugável (SFP) projetado com base na teoria de design do módulo óptico 50G de fator de forma pequeno quad (QSFP) pode resolver melhor os problemas de aumento de dados demanda, espaço limitado e custo limitado na rede frontal 5G.

Princípio de funcionamento do módulo óptico QSFP28 50G tradicional

Seja no projeto e desenvolvimento inicial ou no comissionamento posterior, os principais problemas dos módulos ópticos estão no subconjunto óptico do transmissor (TOSA), subconjunto óptico do receptor (ROSA) e dispositivos relacionados.

O TOSA é um dispositivo que converte sinais elétricos em sinais ópticos, que possui uma estrutura complexa, alta precisão e alto preço, enquanto o ROSA é um dispositivo que converte sinais ópticos em sinais elétricos, que contém principalmente recepção e amplificação.

No convencional Módulo óptico QSFP28 50G solução, dois sinais elétricos de 25 Gbit/s sem retorno a zero (NRZ) são inseridos em um chip codec de modulação de amplitude de 4 pulsos (PAM4). O sinal é convertido em um sinal 50G PAM4 da maneira mostrada na Figura 1 e alimentado em um driver de laser, que amplifica o sinal e direciona a luz dos lasers diretamente modulados (DML).

Figura 1. Diagrama esquemático da conversão do sinal NRZ para o sinal PAM4

O ROSA converte os sinais ópticos recebidos em sinais elétricos e os transmite para o chip codec PAM4, que por sua vez converte os sinais PAM4 em dois sinais NRZ. A Unidade Microcontroladora (MCU) está envolvida no controle de todo o processo de transmissão. A Figura 2 mostra o diagrama de blocos de transmissão de sinal do módulo óptico QSFP28 50Gbit/s.

Figura 2. Diagrama de blocos de transmissão de sinal do módulo óptico QSFP28 50 Gbit/s

Análise do princípio do projeto do módulo óptico SFP56 50G

Com base no módulo óptico QSFP28 50G, existem três direções de pesquisa para módulos ópticos 50G nos últimos anos.

(1) Utilização de pacotes menores para evitar o desperdício de canais, facilitar a colocação e reduzir o consumo de energia.

(2) Melhorar a faixa de aplicabilidade de temperatura do módulo, como atualizar a faixa de aplicabilidade de temperatura de C-Temp (0 a 70 °C) para I-Temp (-40 a 85 °C).

(3) Para aumentar a distância de transmissão óptica do módulo, por exemplo, para aumentar a distância de transmissão óptica de 10 km para 40 km.

Este estudo partirá dessas direções e projetará um módulo óptico SFP56 50G com pacote menor, maior desempenho, menor consumo de energia e maior distância de transmissão com base no histórico técnico do módulo óptico QSFP28 50G.

No lado do transmissor, o sinal elétrico PAM4 é inserido no chip SEMTECH GN2256, que aciona o Laser Modulado Externo (EML) para emitir o sinal óptico 50G PAM4 após a unidade de Relógio e Recuperação de Dados (CDR). Em comparação com o DML, o EML emite a mesma luz e o driver do laser aciona o modulador externo para ajustar o tamanho real da saída de luz, o que torna esse tipo de laser mais adequado para transmissão de longa distância. Para o lado receptor, os pacotes SFP56 e QSFP28 de módulos ópticos funcionam basicamente da mesma forma. A estrutura da placa do módulo óptico SFP56 50G é mostrada na Figura 3.

Figura 3. Estrutura da placa do módulo óptico SFP56 50G

Comparação do tamanho do módulo óptico 50G e consumo de energia entre QSFP28 e SFP56

O tamanho do módulo óptico terá um impacto maior na construção da rede de encaminhamento. Se o módulo puder ser menor para a mesma taxa de transmissão, mais módulos podem ser instalados em uma única placa do mesmo tamanho. Isso aumenta a taxa de transmissão da placa única e também pode ser considerado como um tamanho de placa menor necessário para atingir a mesma taxa de placa única, o que ajuda a reduzir o tamanho do dispositivo.

A Tabela 1 mostra o tamanho e o custo do QSFP28 e SFP56 e o ​​consumo de energia na transmissão de 50G, como pode ser visto na tabela, sem levar em consideração o impacto do anel de tração do comprimento do módulo na instalação da premissa.

Tabela 1. Tamanho e custo de QSFP28 e SFP56 e consumo de energia na transmissão de 50G

(1) O número de módulos ópticos empacotados SFP56 que podem ser colocados em uma única placa do mesmo tamanho é 1.68 vezes maior que o número de módulos ópticos empacotados QSFP28 que podem ser colocados.

(2) O consumo de energia de um único módulo óptico SFP56 50G de 40 km é 57.9% de um Módulo óptico QSFP28 50G 10 km.

(3) O custo de um único módulo óptico SFP56 50G de 40 km é 213.88% do custo de um módulo óptico QSFP28 50G de 10 km.

Pode-se concluir que colocando o módulo óptico SFP56 50G 40 km na placa única do mesmo tamanho em comparação com a colocação do módulo óptico QSFP28 50G 10 km, o consumo de energia é basicamente o mesmo, mas a taxa da placa única é aumentada em 1.68 vezes, ou alcançando o mesma taxa de transmissão de placa única, a área de placa única é reduzida em 40.5% e o consumo de energia é reduzido em 42.1%.

O custo de um módulo óptico convencional QSFP28 50G 10 km C-Temp (0 a 70 °C) é de cerca de US$ 180/pçs, e o custo do módulo óptico SFP56 50G 40 km I-Temp (-40 a 85 °C) em esse projeto é de cerca de US$ 385/pçs, então o custo de um módulo óptico de pacote SFP56 é apenas 26.6% de um pacote QSFP28 para a mesma distância e na mesma taxa de transmissão. O custo é de apenas 26.6% do pacote QSFP28.

Teste de comparação do padrão ocular óptico e sensibilidade do módulo óptico 50G QSFP28 e SFP56

Ambos os módulos ópticos QSFP28 50G 10 km C-Temp e SFP56 50G 40 km I-Temp podem ser testados por loop automático ou adicionando uma fonte de luz externa. A fim de evitar a influência da temperatura ambiente na fonte de luz ao medir os parâmetros relacionados ao lado do ROSA, este estudo opta por construir um ambiente de teste adicionando uma fonte de luz externa para testes de comparação. Conforme mostrado na Figura 4, a luz do dispositivo em teste (DUT) é dividida por um divisor de feixe e 90% da luz é alimentada no Digital Communication Analyzer (DCA) para medir os parâmetros relacionados ao diagrama de olho óptico, e 10% da luz é alimentada no Analisador de Espectro Óptico (OSA) para medir o comprimento de onda e a Taxa de Supressão de Modo Lateral (SMSR). A luz do módulo óptico conhecido é alimentada no DUT após passar pelo atenuador (ATT) para medir os parâmetros relacionados ao DUT Rx, e o testador de erro de bit (BERT) fornece o sinal de modulação para a placa de avaliação (EVB) e o relógio sinal para o DCA. O DUT é colocado em um termostato e a temperatura ambiente de sua operação pode ser alterada artificialmente, de modo que o módulo óptico seja conhecido por ser colocado em um ambiente de temperatura constante. Um multímetro é usado para calibração de tensão do módulo óptico, um computador pessoal (PC) é usado para ajustar os parâmetros do módulo óptico por meio de uma Interface Gráfica do Usuário (GUI) e uma fonte de alimentação é usada para alimentar os dois EVBs.

Figura 4. Painel do Diagrama de bloco de teste com fonte de luz externa adicionada

Os diagramas de olho óptico dos dois módulos ópticos à temperatura ambiente são mostrados na Figura 5 e os parâmetros relacionados são mostrados na Tabela 2. Como pode ser visto na tabela, o diagrama de olho de dispersão do transmissor quaternário fechado (TDECQ) de QSFP28 50G óptico módulo e Módulo óptico SFP56 50G em temperatura ambiente são 2.49 dB e 1.98 dB, respectivamente, com taxas de extinção de 6.529 dB e 4.749 dB, e a potência óptica média foi de 1.73 dBm e 0.69 dBm, respectivamente.

A fonte de luz externa é colocada em ambiente de temperatura ambiente e seu estado operacional é mantido constante. No link, a luz emitida pela fonte de luz externa é inserida no terminal QSFP28 50G ROSA e no terminal SFP56 50G ROSA após o ATT, e a sensibilidade desses dois módulos a 25 °C é de -11.3 e -11.9 dB, respectivamente após a medição.

mesa 2. Ótica olho diagrama relacionado parâmetros de dois ótico módulos at sala temperaturae

(a)QSFP28 50G

(b) SFP56 50G

Figura 5. Diagrama do olho óptico em temperatura ambiente

A diagrama de olho óptico do módulo óptico SFP56 50G em condições de alta e baixa temperatura é mostrado na Figura 6, e os parâmetros relacionados são mostrados na Tabela 3. Ao ajustar a temperatura ambiente, o módulo óptico é feito para operar a -40 e +85 °C, respectivamente, e a luz emitida do TOSA é alimentada no DCA após 40 km de fibra. Depois de ajustar os parâmetros relevantes, o TDECQ é 2.52 e 2.77 dB, a potência óptica média é 1.50 e 0.67 dBm, a taxa de extinção é 4.401 e 4.402 dB e a sensibilidade é -11.5 e -11.3 dB, todos de acordo com o Instituto de Engenheiros Elétricos e Eletrônicos (IEEE) 802.3cd. Engenheiros (IEEE) 802.3cd 50G requisitos relacionados.

Tabela 3. Parâmetros relacionados ao diagrama de olho óptico do módulo óptico SFP56 50G sob condições de alta e baixa temperatura

(a) -40° C

(b) +85°C

Figura 6. Diagrama óptico do módulo óptico SFP56 50 Gbit/s em condições de alta e baixa temperatura

Como a faixa de temperatura operacional do módulo óptico QSFP28 50G tradicional é de 0 ~ +70 °C, enquanto a do módulo óptico SFP56 50G neste estudo é -40 ~ +85 °C, não é significativo comparar os parâmetros de desempenho de os dois a 0 °C e +70 °C. Os parâmetros de desempenho de alta e baixa temperatura do módulo geralmente obedecem à relação linear, ou seja, o módulo com bom desempenho em temperatura ambiente também terá bom desempenho em alta e baixa temperatura. Portanto, só é necessário testar os parâmetros de desempenho do módulo óptico SFP56 50G quando ele funciona a -40 ℃ e +85 ℃. Desde que os parâmetros de desempenho do módulo atendam aos requisitos relevantes de 50G em IEEE 802.3cd neste ambiente, o desempenho dos dois módulos ópticos com pacotes diferentes pode ser determinado pela combinação dos parâmetros de desempenho à temperatura ambiente.

Como pode ser visto na Tabela 3, em comparação com QSFP28, o TDECQ é reduzido em 20.5% e a sensibilidade é aumentada em 0.6 dB após selecionar SFP56. Pode-se concluir que o desempenho geral do módulo óptico é melhorado em cerca de 20% após a seleção do pacote SFP56, ou seja, o pacote SFP56 é mais adequado para aplicação de módulo óptico 50G do que o pacote QSFP28.

Conclusão

Este experimento prova que o Fiber Mall projetou com sucesso um módulo óptico SFP56 50G 40 km I-Temp baseado no módulo óptico QSFP28 50G 10 km com um pacote SFP56 menor, substituindo o chip codec PAM4 Gearbox por um chip SEMTECH GN2256 CDR e combinando TOSA , ROSA e EML. Comparado com o módulo óptico QSFP28 50G 10 km C-Temp tradicional, o custo do módulo é reduzido em 73.4% e o desempenho geral do módulo é melhorado em cerca de 20%, que pode funcionar em ambientes de trabalho mais severos e todos os indicadores estão alinhados com os requisitos 50G do IEEE 802.3cd. Módulo óptico SFP56 50G 40 km. O módulo óptico SFP56 50G de 40 km tem muitas vantagens e espera-se que desempenhe um papel na substituição do módulo óptico QSFP28 50G de 10 km em futuras redes fronthaul 5G.