Основные технологии в 400G QSFP-DD AOC: PAM4 и DSP

Для поддержки скорости передачи 400 Гбит/с 4-канальный режим передачи x100 Гбит/с с использованием модуляции PAM может снизить сложность конструкции и энергопотребление трансивера. Отмечается, что по сравнению с модуляторами Маха-Цендера на основе внешней модуляции (MZM) схемы внутренней модуляции с использованием лазеров с электроабсорбционной модуляцией (EML) и лазеров с прямой модуляцией (DML) менее дороги и проще по конструкции.

Но два узких места ограничивают производительность системы: ограничение ширины полосы модуляции оптоэлектронного устройства и проблема нелинейных искажений во время модуляции и демодуляции. Для преодоления этих двух ограничений было предложено множество методов цифровой обработки сигналов (DSP), таких как коррекция с обратной связью, нелинейная коррекция Вольтерра и т. д., все из которых требуют высокой вычислительной сложности на стороне приемника.

технология PAM4

Из-за требований технологии 400G необходимо применять одноканальные требования к скорости 56G или 112G, но потери канала и затраты на введение отражения сигналов 56G/112G слишком высоки, а устойчивость к перекрестным помехам канала значительно снижена. . Нынешней технологии NRZ трудно превзойти одноканальную скорость передачи 56G. Поэтому промышленность представила технологию PAM4 для ее решения.

PAM4 — это разновидность технологии PAM (импульсно-амплитудная модуляция). Его методы модуляции включают методы реализации цифрового ЦАП на основе DSP и аналоговые методы комбинирования. Основной аналоговый режим может работать путем добавления двух каналов сигналов NRZ, а цифровая модель основана на высокоскоростном ЦАП для быстрого вывода уровней 0/1/2/3.

Как показано на рисунке, PAM4 модулируется четырехуровневой амплитудой, и каждое значение уровня может нести двухбитную информацию за счет большей чувствительности к шуму. Если мы посмотрим на глазковую диаграмму сигнала NRZ, предполагая, что битовый период равен T, а амплитуда равна A, то полоса пропускания канала является обратной величиной битового периода (1/T). Чем выше битрейт, тем меньше битовый период и больше полоса пропускания сигнала. Существует также требование отношения сигнал-шум (SNR), которое связано с амплитудой сигнала. Если смотреть по вертикали, чем меньше отверстие глазковой диаграммы, тем сложнее отличить исходный сигнал от приемника при фиксированном отношении сигнал/шум.

Рисунок 1：Схема принципа PAM4

Есть ли другой способ удвоить битрейт? Один из способов — сериализовать двухбитные потоки. Используйте один канал 56 Гбит/с вместо двух каналов 28 Гбит/с. Таким образом, в исходном цикле скорости 28 Гбит/с текущая скорость достигает 56 Гбит/с. Как видно из глазковой диаграммы сигнала ML, его амплитуда по-прежнему равна A, но период становится равным T/2. Если битовый период является возвратно-поступательным, получается ширина полосы сигнала 2/T. A остается неизменным, то есть отношение сигнал/шум остается неизменным, но полоса пропускания сигнала удваивается.

Нам нужен способ умножить скорость передачи данных без увеличения пропускной способности, и в этом PAM4 преуспевает. Глазковая диаграмма PAM4 необычная, с 3 открытыми глазами и 4 амплитудами при просмотре в продольном направлении, с периодом символа T. Однако диапазон раскрытия каждого глаза составляет A/3, а соответствующее требование к пропускной способности составляет 1/T. Таким образом, мы получаем сигнал 56 Гбит/с, который совпадает с полосой пропускания M или L одноканального сигнала 28 Гбит/с, но отношение сигнал/шум относится к A/3, поэтому PAM4 имеет Торговля-off между отношением сигнал/шум и шириной полосы сигнала.

Многие последовательные каналы имеют ограничения по пропускной способности, поэтому трудно увеличить скорость до 28 Гбит/с за счет сокращения битового периода. Однако, когда есть место для SNR, лучше пожертвовать частью стоимости SNR в обмен на схему PAM4 с удвоенной скоростью.

Wэто технология DSP?

Для систем оптической связи на короткие расстояния необходимо учитывать следующие основные факторы: 1) хроматическая дисперсия, т. е. разные длины волн соответствуют разным групповым скоростям, что приводит к уширению импульса и искажению сигнала. Поэтому в качестве рабочей длины волны выбирается О-диапазон с меньшей хроматической дисперсией; 2) эффект фильтрации нижних частот, вызванный недостаточной пропускной способностью устройства; 3) вращение поляризации. Из-за малого расстояния передачи поляризационная модовая дисперсия не учитывается. Влияние этих факторов может быть компенсировано DSP.

DSP — это технология цифровой обработки сигналов, а микросхема DSP относится к микросхеме, реализующей технологию цифровой обработки сигналов. Это быстрый и мощный микропроцессор. Уникальной особенностью является то, что он может обрабатывать данные в режиме реального времени. Внутренняя часть микросхемы DSP имеет гарвардскую структуру с отдельными программами и данными и имеет специальный аппаратный умножитель, который можно использовать для быстрой реализации различных алгоритмов цифровой обработки сигналов. В эпоху цифровых технологий DSP стал основным устройством в области связи, компьютеров и бытовой электроники.

В системе оптической связи на короткие расстояния основными функциями ЦСП передатчика являются:

1) Технология кодирования FEC (упреждающая коррекция ошибок). Его основной принцип заключается в использовании метода избыточного кодирования, преимущество которого заключается в автоматическом исправлении ошибок передачи.

2) Преобразование битов в символы

3) повторная выборка

4) Формирование импульса

5) ЦАП

Основные функции DSP приемника:

1) АЦП

2) повторная выборка

3) Повторный тайминг

4) Адаптивный эквалайзер, автоматически настраивающий свои коэффициенты на основе измерения характеристик канала для адаптации к изменениям характеристик канала, компенсации сигнала и устранения межсимвольных помех.

5) декодирование FEC

Мы сравнили требования к конфигурации DSP, соответствующие трем различным методам модуляции. Три формата модуляции: (1) PAM; (2) CAP (амплитудная и фазовая модуляция без несущей); (3) DMT (дискретная многотональная модуляция). Конфигурация DSP, соответствующая этим трем методам модуляции, показана на следующем рисунке.

Рисунок 2: Конфигурация DSP, соответствующая трем методам модуляции

Для PAM функции формирования импульса и предыскажения в передатчике используются для компенсации ограничений полосы пропускания ЦАП и нелинейности передающего устройства. Адаптивный эквалайзер в приемнике используется для компенсации потерь в передатчике и канале.

Для CAP передатчик использует два формирующих фильтра для формирования сигнала квадратурной амплитудной модуляции (QAM). Функция предварительного улучшения аналогична функции кодирования PAM, которая также используется для компенсации. На приемном конце сигнал разделяется на два канала для обработки и, наконец, синтезируется сигнал QAM.

Что касается DMT, то он может похвастаться высокой спектральной эффективностью, высокой устойчивостью к потерям и гибким кодированием. На передающей стороне функция S/P преобразует последовательную информацию в параллельные блоки. Функция IFFT преобразует сигнал во временную область. Вмешательства между параллельными блоками можно избежать, добавив циклический префикс. На принимающей стороне это обратная операция функции передающей стороны.

Сложность DSP напрямую влияет на стоимость и энергопотребление оптических модулей. Три метода модуляции имеют некоторые общие модули DSP, в том числе кодек FEC, битовое отображение/обратное отображение, ЦАП, АЦП и т. д. Для сравнения, метод PAM требует меньше модулей, а для CAP и DMT требуются дополнительные фильтрующие блоки, которые являются более сложными. Плюсы и минусы этих методов модуляции сравниваются в следующей таблице.

Таблица 1：Сравнение преимуществ и недостатков трех форматов модуляции

RS означает чувствительность приемника, RIN означает шум относительной интенсивности. Для сравнения, метод PAM-4 является лучшим выбором, он может легко реализовать оптическую связь на короткие расстояния и имеет отличные характеристики. В настоящее время большинство демонстрационных оптических модулей 400G основаны на методе PAM-4.

Очень важной частью AOC 400G QSFP-DD является схема восстановления сигнала. В прошлом для восстановления сигнала использовались схемы CDR (восстановление часов и данных). В интерфейсе электрооптического преобразования высокоскоростной последовательный сигнал проходит через печатную плату с большими потерями, что приводит к серьезному ухудшению качества сигнала. Сигнал восстанавливается CDR PAM4, таким образом получая тактовый сигнал и данные с низким джиттером. На интерфейсе электрооптического преобразования из-за вносимых потерь электрооптического модулятора и потерь передачи оптического волокна сигнал с потерями, полученный фотодетектором, также нуждается в CDR для восстановления данных.

Рисунок 3：Схема DSP на основе модуляции PAM4

Однако с точки зрения производительности улучшение CDR для всей схемы намного меньше, чем у DSP. DSP — это микросхема высокоскоростной цифровой обработки. В дополнение к функции восстановления цифровых часов, которую может обеспечить CDR, он также может выполнять операции компенсации дисперсии на 400G QSFP-DD AOC продукты для устранения факторов помех, таких как шум и нелинейность. Ограниченный размером пакета оптического модуля, 400G QSFP-DD AOC не имеет много параллельных каналов и в сочетании с ограниченной пропускной способностью электрооптических устройств люди должны увеличить скорость одной волны.

Для одноволновых приложений выше 100G текущий чип электрического драйвера и оптические устройства на приемном конце не могут достичь полосы пропускания выше 50 ГГц, поэтому это эквивалентно введению фильтра нижних частот на стороне передатчика, что проявляется в временной области как межкодовые помехи.

Взяв в качестве примера применение одноволнового 100G PAM4, устройство модуляции с недостаточной полосой пропускания сделает глазковую ширину своего сигнала очень маленькой. Более того, восстановление тактовой частоты на основе прошлого аналогового PLL не может найти наилучшую точку дискретизации, поэтому приемник не может восстановить правильный сигнал.

После введения DSP сигнал может быть напрямую сжат на передающей стороне, а сигнал может быть восстановлен с помощью адаптивного КИХ-фильтра на принимающей стороне. Этот метод может изменить влияние неконтролируемой аналоговой полосы пропускания в устройстве модуляции/приема на известное сжатие цифрового спектра, уменьшая потребность в полосе пропускания оптического устройства.

Рисунок 4: Глазковая диаграмма FiberMall 400G QSFP-DD AOC

В целом, по сравнению со схемой CDR, продукт 400G QSFP-DD AOC, использующий решение DSP, имеет более высокое энергопотребление и стоимость. Тем не менее, он имеет лучшую способность обрабатывать сигналы, что в основном проявляется в сильной адаптивности электрического порта, хороших оптоэлектронных характеристиках и так далее.

Cзаключение：

Выше перечислены основные технологии продуктов 400G QSFP-DD AOC — технологии PAM4 и DSP. Технология PAM4 преодолевает слабые возможности традиционной модуляции NRZ на скорости 56G и удваивает скорость передачи данных без увеличения пропускной способности. Однако PAM4 жертвует соотношением сигнал/шум, делая продукты 400G QSFP-DD AOC более чувствительными к шуму, а микросхемы DSP как раз компенсируют недостатки технологии PAM4.