Tecnologia DSP em Comunicações Ópticas Coerentes

Sumário

A tecnologia de transmissão óptica coerente tornou-se uma parte essencial das redes de fibra óptica de alta capacidade e longa distância. Esta tecnologia de modulação avançada pode codificar dados na amplitude, fase e polarização da luz. O núcleo de cada transceptor coerente é um processador de sinal digital (DSP) altamente complexo, que executa o processamento de sinal que é crucial para alcançar uma transmissão coerente. Este artigo fornece uma visão abrangente das diferentes funções do motor eletrônico do transceptor coerente, com foco no DSP, e resume os desenvolvimentos mais recentes e os desafios futuros da tecnologia DSP.

Introdução

Nas últimas décadas, o tráfego global da Internet cresceu exponencialmente, duplicando a cada dois anos. Este crescimento sustentado decorre da enorme procura de aplicações com uso intensivo de largura de banda, como streaming de vídeo, computação em nuvem, redes sociais e do grande número de dispositivos em rede impulsionados pela Internet das Coisas (IoT). Para acompanhar a explosão de dados, os provedores de serviços transformaram o núcleo da rede de transmissão óptica de simples links ponto a ponto para topologias de malha flexíveis e de alta velocidade. No entanto, confiar na tecnologia de transmissão óptica tradicional limita a capacidade e a distância de transmissão, tornando-se um gargalo para o crescimento futuro.

A tecnologia de transmissão coerente surgiu como a solução, permitindo que a rede central aumentasse em 100 vezes o volume de dados transmitidos através de uma única fibra. Este esquema de modulação avançado codifica informações em três atributos da luz: amplitude, fase e polarização. A transmissão coerente abre capacidade e distância de transmissão muito além do tradicional simples on-off técnicas de digitação.

O núcleo de cada transceptor coerente é um processador de sinal digital (DSP) altamente complexo composto de circuitos eletrônicos dedicados e algoritmos avançados. O DSP realiza o processamento de sinais que é essencial para alcançar uma transmissão coerente, incluindo codificação/decodificação de dados, compensação de deficiências de canal, monitoramento de desempenho, etc. A inovação do DSP foi o catalisador para a revolução da tecnologia de transmissão coerente na última década.

À medida que o tráfego global da Internet cresce rapidamente, as capacidades da tecnologia coerente também precisam de ser melhoradas em conformidade. O aprimoramento do DSP em termos de distância de transmissão, eficiência e consumo de energia oferece oportunidades importantes para a indústria continuar a melhorar os transceptores coerentes para atender às nossas necessidades de dados. Este artigo fornecerá uma visão abrangente das diferentes funções do motor eletrônico do transceptor coerente, com foco no DSP. Também resumirá os mais recentes desenvolvimentos e desafios da tecnologia DSP.

O motor eletrônico de transceptores coerentes

O DSP faz parte de um sistema eletrônico maior dentro de cada transceptor coerente, denominado motor eletrônico. Conforme mostrado na Figura 1, o motor consiste nos seguintes componentes principais:

• Os circuitos de processamento analógico convertem sinais entre formatos analógicos e digitais. A transmissão de fibra consiste em sinais ópticos analógicos, mas o processamento de dados é digital. A conversão de formato é necessária ao transmitir e receber sinais.
• O processamento de sinal digital (DSP) codifica/decodifica dados e compensa deficiências de canal. Esta é a função principal de processamento de sinal.
• Correção direta de erros (FEC), que aumenta a tolerância a ruído e distorção. O FEC permite que links coerentes lidem com taxas de erro um milhão de vezes maiores do que os links tradicionais de detecção direta.
• Bridge, que converte dados entre os formatos Ethernet e Optical Transport Network (OTN).
• Cole circuitos lógicos, como microprocessadores, conversores seriais/paralelos (SERDES), etc., para conectar os diversos módulos.

Cada módulo do mecanismo eletrônico contém circuitos e algoritmos dedicados, tornando-o uma propriedade intelectual separada. Portanto, desenvolver todo o motor requer experiência em diversas áreas.

Figura 1. Layout do motor eletrônico para transceptores ópticos coerentes, incluindo a ordem de processamento do sinal pelo motor.

Os fundamentos do DSP

Agora focando na própria unidade DSP, este módulo realiza o trabalho principal de mapear dados digitais para atributos de sinais ópticos e vice-versa.

A tecnologia central para alcançar esse mapeamento é chamada de modulação ortogonal, que codifica dados para a amplitude e fase do sinal óptico. Um esquema de modulação ortogonal de quatro estados é denominado Quadrature Phase Shift Keying (QPSK). Variantes mais avançadas, como a modulação de amplitude em quadratura de 16 estados (16-QAM), podem atingir taxas de dados mais altas.

Conforme mostrado na Figura 2, algumas das funções principais do DSP incluem:

• Codificação/decodificação de dados para fase e polarização usando esquemas de modulação ortogonal.
• Inserção de sinais piloto para auxiliar o receptor na decodificação. O piloto fornece uma referência para fase e polarização.
• Equalização adaptativa para compensar a distorção do espectro do sinal causada pelo canal de fibra.
• Compensação de dispersão para neutralizar o efeito de dispersão que causa a propagação do pulso óptico.
• Compensação não linear para mitigar efeitos não lineares, como mistura de autofase.
• Modelagem espectral usando filtros digitais para obter utilização máxima da largura de banda.

Figura 2. Layout e sequência de módulos DSP seguidos quando o sinal é transmitido e recebido

Últimos avanços na tecnologia DSP

Olhando para o futuro, duas direções importantes para o avanço do DSP são distância/eficiência de transmissão e eficiência energética. Tecnologias como modelagem probabilística de constelação (PCS) e formatos de modulação mais rápidos têm um futuro brilhante.

Conforme mostrado na Figura 3, o PCS utiliza pontos de constelação de sinais de forma não uniforme, transmitindo mais bits sob um determinado orçamento de energia. O PCS traz benefícios significativos, incluindo maior distância de transmissão, melhor tolerância não linear e maior flexibilidade.

Em relação aos formatos de modulação, a indústria está gradualmente migrando dos primeiros sistemas QPSK para modulações de ordem superior, como 16-QAM e 64-QAM. No entanto, algoritmos DSP aprimorados são necessários para lidar com o aumento da distorção desses formatos de modulação de alta densidade.

Em termos de eficiência energética, o DSP consumiu cerca de 50% da energia total dos transceptores coerentes. O aumento da capacidade e da largura de banda aumentará ainda mais a demanda de energia para chips DSP. A potência do DSP é dimensionada com largura de banda, formato de modulação, FEC e outras funções de processamento. Portanto, a otimização inteligente do DSP e de suas conexões elétricas é crucial para a expansão futura.

Figura 3. Comparação entre 16-QAM convencional e modelagem probabilística de constelação (PCS) 16-QAM. Fonte da imagem: Infinera.

Resumo

Na última década, a inovação DSP foi um catalisador revolucionário para tecnologia de transmissão coerente em redes ópticas. Mas não podemos ficar parados, uma vez que o tráfego global da Internet continua a crescer rapidamente sob a influência de aplicações de elevada largura de banda, como o vídeo, a realidade virtual e a Internet das Coisas.

O aprimoramento do DSP na distância de transmissão, eficiência e consumo de energia oferece oportunidades importantes para a indústria continuar melhorando os transceptores coerentes. Com o crescimento dos serviços de alta largura de banda, o DSP continuará a ser o coração digital da rede óptica da próxima geração, permitindo que a capacidade de fibra satisfaça a procura de dados. A inovação contínua da DSP é essencial para evitar a crise de capacidade e manter o crescimento do mundo digital.