В чем разница между 50G SFP56 и QSFP28?

Введение

С наступлением эры технологии мобильной связи 5-го поколения (5G) традиционная плотность базовых станций технологии мобильной связи 4-го поколения (4G) больше не может удовлетворить значительно возросший спрос на пропускную способность 5G. По состоянию на ноябрь 2021 года Китай построил и открыл 1.39 миллиона базовых станций 5G, что составляет более 60% от общего числа в мире, и планирует построить более 600,000 5 новых базовых станций 2022G в 50 году. Fiber Mall продемонстрировал теоретический анализ и тестирование. что конструкция оптического модуля может использоваться в подключаемом модуле Quad Small Form-factor Pluggable (QFFP) с более высокой производительностью, меньшей стоимостью, меньшим энергопотреблением и лучшим развертыванием. Благодаря теоретическому анализу и тестированию компания Fiber Mall продемонстрировала, что оптический модуль 50G с малым форм-фактором (SFP), разработанный на основе теории конструкции оптического модуля Quad Small Form-factor Pluggable (QSFP) 5G, может лучше решать проблемы увеличения объема данных. спрос, ограниченное пространство и ограниченная стоимость во фронтальной сети XNUMXG.

Принцип работы традиционного оптического модуля QSFP28 50G

Будь то начальный этап проектирования и разработки или более поздний ввод в эксплуатацию, основные проблемы с оптическими модулями заключаются в оптическом узле передатчика (TOSA), оптическом узле приемника (ROSA) и связанных с ними устройствах.

ТОСА — устройство, преобразующее электрические сигналы в оптические, имеющее сложную структуру, высокую точность и высокую цену, а РОСА — устройство, преобразующее оптические сигналы в электрические, в основном содержащие прием и усиление.

В обычном Оптический модуль QSFP28 50G Два электрических сигнала без возврата к нулю (NRZ) со скоростью 25 Гбит/с подаются на чип кодека с 4-импульсной амплитудной модуляцией (PAM4). Сигнал преобразуется в сигнал 50G PAM4 способом, показанным на рисунке 1, и подается в драйвер лазера, который усиливает сигнал и управляет излучением лазеров с прямой модуляцией (DML).

Рисунок 1. Принципиальная схема преобразования сигнала NRZ в сигнал PAM4.

ROSA преобразует полученные оптические сигналы в электрические и передает их на чип кодека PAM4, который, в свою очередь, преобразует сигналы PAM4 в два сигнала NRZ. Блок микроконтроллера (MCU) участвует в управлении всем процессом передачи. На рис. 2 показана блок-схема передачи сигнала оптического модуля QSFP28 50 Гбит/с.

Рис. 2. Блок-схема передачи сигнала оптического модуля QSFP28 50 Гбит/с

Анализ принципа конструкции оптического модуля SFP56 50G

На основе оптического модуля QSFP28 50G в последние годы существует три направления исследований оптических модулей 50G.

(1) Использование меньших по размеру пакетов, чтобы избежать потери каналов, облегчить укладку, а также снизить энергопотребление.

(2) Улучшение диапазона применимости температуры модуля, например, повышение диапазона применимости температуры с C-Temp (от 0 до 70 °C) до I-Temp (от -40 до 85 °C).

(3) Для увеличения дальности оптической передачи модуля, например, для увеличения дальности оптической передачи с 10 км до 40 км.

Это исследование начнется с этих направлений и спроектирует оптический модуль SFP56 50G с меньшим корпусом, более высокой производительностью, меньшим энергопотреблением и большей дальностью передачи на основе технических характеристик оптического модуля QSFP28 50G.

На стороне передатчика электрический сигнал PAM4 вводится в микросхему SEMTECH GN2256, которая управляет лазером с внешней модуляцией (EML) для излучения оптического сигнала 50G PAM4 после блока синхронизации и восстановления данных (CDR). По сравнению с DML, EML излучает тот же свет, а драйвер лазера управляет внешним модулятором для регулировки фактического размера светового потока, что делает этот тип лазера более подходящим для передачи на большие расстояния. Для принимающей стороны пакеты оптических модулей SFP56 и QSFP28 работают практически одинаково. Каркас платы оптического модуля SFP56 50G показан на рисунке 3.

Рисунок 3. Каркас платы оптического модуля SFP56 50G

Сравнение размера оптического модуля 50G и энергопотребления между QSFP28 и SFP56

Размер оптического модуля будет иметь большее влияние на построение сети пересылки. Если модуль можно уменьшить при той же скорости передачи, то на одной плате того же размера можно установить больше модулей. Это увеличивает скорость передачи одной платы, а также может рассматриваться как меньший размер платы, необходимый для достижения той же скорости одной платы, что помогает уменьшить размер устройства.

В таблице 1 приведены размеры и стоимость QSFP28 и SFP56, а также потребляемая мощность при передаче 50G, как видно из таблицы, без учета влияния длины тянущего кольца модуля на укладку предпосылки.

Таблица 1. Размер и стоимость QSFP28 и SFP56 и энергопотребление при передаче 50G

(1) Количество оптических модулей в корпусе SFP56, которые можно разместить на одной плате того же размера, в 1.68 раза больше, чем количество оптических модулей в корпусе QSFP28, которые можно разместить.

(2) Потребляемая мощность одного оптического модуля SFP56 50G 40 км составляет 57.9% от потребляемой мощности Оптический модуль QSFP28 50G 10 км.

(3) Стоимость одного оптического модуля SFP56 50G 40 км составляет 213.88% от стоимости оптического модуля QSFP28 50G 10 км.

Можно сделать вывод, что при укладке оптического модуля SFP56 50G 40 км на одной плате того же размера по сравнению с укладкой оптического модуля QSFP28 50G 10 км потребление энергии в основном такое же, но скорость одной платы увеличивается в 1.68 раза или достигается та же самая скорость передачи одной платы, площадь одной платы уменьшена на 40.5%, а энергопотребление снижено на 42.1%.

Стоимость обычного оптического модуля QSFP28 50G 10 км C-Temp (от 0 до 70 °C) составляет около $180/шт, а стоимость оптического модуля SFP56 50G 40 км I-Temp (от -40 до 85 °C) в эта конструкция составляет около 385 долларов США за штуку, поэтому стоимость оптического модуля в корпусе SFP56 составляет всего 26.6% от стоимости пакета QSFP28 для того же расстояния и с той же скоростью передачи. Стоимость составляет всего 26.6% от пакета QSFP28.

Сравнительный тест оптической диаграммы направленности и чувствительности оптических модулей 50G QSFP28 и SFP56

Оба оптических модуля QSFP28 50G 10 км C-Temp и SFP56 50G 40 км I-Temp можно тестировать либо с помощью собственной петли, либо с добавлением внешнего источника света. Чтобы избежать влияния температуры окружающей среды на источник света при измерении параметров, связанных со стороной ROSA, в этом исследовании было выбрано создание тестовой среды путем добавления внешнего источника света для сравнительного тестирования. Как показано на рис. 4, свет от тестируемого устройства (DUT) разделяется светоделителем, и 90 % света подается в цифровой анализатор связи (DCA) для измерения параметров, связанных с оптической глазковой диаграммой. и 10% света подается в анализатор оптического спектра (OSA) для измерения длины волны и коэффициента подавления боковой моды (SMSR). Свет от известного оптического модуля подается в тестируемое устройство после прохождения через аттенюатор (ATT) для измерения параметров, связанных с приемом тестируемого устройства, а тестер битовых ошибок (BERT) обеспечивает сигнал модуляции для оценочной платы (EVB) и часов. сигнал для ДКА. ИУ помещается в термостат, и температура окружающей среды его работы может изменяться искусственно, так что оптический модуль, как известно, находится в среде с постоянной температурой. Мультиметр используется для калибровки напряжения оптического модуля, персональный компьютер (ПК) используется для настройки параметров оптического модуля через графический интерфейс пользователя (GUI), а источник питания используется для питания двух EVB.

Рисунок 4. Блок-схема тестов с добавленным внешним источником света

Оптические глазковые диаграммы двух оптических модулей при комнатной температуре показаны на рисунке 5, а соответствующие параметры показаны в таблице 2. Как видно из таблицы, глазковая диаграмма дисперсии передатчика с закрытой четверкой (TDECQ) оптического модуля QSFP28 50G модуль и Оптический модуль SFP56 50G при комнатной температуре составляют 2.49 дБ и 1.98 дБ соответственно, с коэффициентами ослабления 6.529 дБ и 4.749 дБ, а средняя оптическая мощность 1.73 дБм и 0.69 дБм соответственно.

Внешний источник света помещается в среду с комнатной температурой, и его рабочее состояние поддерживается постоянным. В связи свет, излучаемый внешним источником света, вводится в терминал QSFP28 50G ROSA и терминал SFP56 50G ROSA после ATT, а чувствительность этих двух модулей при 25 °C составляет -11.3 и -11.9 дБ соответственно. после измерения.

Настольные 2. Оптический Глаза диаграмма Связанный параметры два оптический модули at комната температураe

(а) КСФП28 50G

(б) SFP56 50G

Рисунок 5. Оптическая глазковая диаграмма при комнатной температуре

Ассоциация глазковая диаграмма оптического модуля SFP56 50G в условиях высоких и низких температур показан на рис. 6, а соответствующие параметры приведены в табл. 3. Регулируя температуру окружающей среды, оптический модуль настраивается на работу при температуре -40 и +85 °C соответственно, а свет, излучаемый TOSA, подается в DCA. после 40 км оптоволокна. После настройки соответствующих параметров TDECQ составляет 2.52 и 2.77 дБ, средняя оптическая мощность составляет 1.50 и 0.67 дБм, коэффициент ослабления составляет 4.401 и 4.402 дБ, а чувствительность -11.5 и -11.3 дБ, что соответствует Институт инженеров по электротехнике и электронике (IEEE) 802.3cd. Требования инженеров (IEEE) 802.3cd 50G.

Таблица 3. Параметры оптической глазковой диаграммы оптического модуля SFP56 50G в условиях высоких и низких температур

(а) -40° C

(б) +85°С

Рис. 6. Глазковая диаграмма оптического модуля SFP56 50 Гбит/с в условиях высоких и низких температур

Поскольку диапазон рабочих температур традиционного оптического модуля QSFP28 50G составляет 0 ~ +70 °C, а диапазон рабочих температур оптического модуля SFP56 50G в этом исследовании составляет -40 ~ +85 °C, сравнение рабочих параметров не имеет существенного значения. два при 0°C и +70°C. Рабочие параметры модуля при высоких и низких температурах обычно соответствуют линейной зависимости, то есть модуль с хорошими характеристиками при комнатной температуре также будет иметь хорошие характеристики при высоких и низких температурах. Поэтому тестировать рабочие параметры оптического модуля SFP56 50G необходимо только при температуре от -40 ℃ до +85 ℃. Пока параметры производительности модуля соответствуют соответствующим требованиям 50G в IEEE 802.3cd в этой среде, производительность двух оптических модулей с разными корпусами может быть определена путем объединения параметров производительности при комнатной температуре.

Как видно из таблицы 3, по сравнению с QSFP28 TDECQ снижается на 20.5%, а чувствительность увеличивается на 0.6 дБ после выбора SFP56. Можно сделать вывод, что общая производительность оптического модуля улучшилась примерно на 20% после выбора пакета SFP56, т.е. пакет SFP56 больше подходит для применения оптического модуля 50G, чем пакет QSFP28.

Заключение

Этот эксперимент доказывает, что компания Fiber Mall успешно разработала оптический модуль SFP56 50G 40 км I-Temp на основе оптического модуля QSFP28 50G 10 км с меньшим корпусом SFP56, заменив чип кодека PAM4 Gearbox на чип SEMTECH GN2256 CDR и объединив TOSA , РОСА и ЭМЛ. По сравнению с традиционным оптическим модулем QSFP28 50G 10 км C-Temp стоимость модуля снижается на 73.4%, а общая производительность модуля повышается примерно на 20%, что позволяет работать в более тяжелых условиях, и все показатели соответствуют с требованиями 50G IEEE 802.3cd. Оптический модуль SFP56 50G 40 км. Оптический модуль SFP56 50G 40 км имеет много преимуществ, и можно ожидать, что он сыграет роль в замене оптического модуля QSFP28 50G 10 км в будущих сетях Fronthaul 5G.