NRZ وPAM4 وDSP: retimers وgearboxes وLPO والمتماسك (coherent)

حتى 25G لكل مسار، كانت وحدة الإرسال والاستقبال تنقل البتات بتشغيل الليزر وإطفائه وقراءة النتيجة بمقارن. وبعد ذلك لم يعد بإمكان الجزء الضوئي أن يتسارع بتكلفة معقولة، فجعلت الصناعة كل رمز يحمل أكثر — PAM4 — ووضعت معالج إشارة رقمية في الوحدة لجعل الموجة المشوَّشة ذات المستويات الأربعة قابلة للقراءة. ويهيمن DSP الآن على القدرة والتكلفة وزمن الاستجابة في وحدات 400G+، ولهذا تحاول أحدث التصاميم إزالته من جديد (LPO) أو نقله إلى مستوى أعمق (المتماسك). وتشرح هذه الصفحة ما تفعله سلسلة معالجة الإشارة وما تعنيه كل صيغة بالنسبة إلى المضيفين والتشخيص.

صيغ التضمين

الصيغة	البتات لكل رمز	أمثلة المسارات	متطلبات المستقبل	العقوبة مقابل NRZ
NRZ (تشغيل/إطفاء، مستويان)	1	1G، 10G، 25G، 40G (4×10)، 100G (4×25)	مضخم محدِّد + CDR	—
PAM4 (4 مستويات)	2	50G، 100G، 200G لكل مسار؛ 400G (8×50 أو 4×100)، 800G	طرف أمامي خطي، ADC، معادِل DSP؛ RS-FEC إلزامي	≈ 9.5 dB فتحة عين أقل → يحتاج إلى FEC ومعادلة
المتماسك (QPSK، 8QAM، 16QAM على استقطابين)	4–8 لكل رمز	100G–800G لكل طول موجي (ZR، ZR+)	ليزر المذبذب المحلي، هجين 90°، ثنائيات ضوئية متوازنة، ADC رباعي القنوات + DSP ثقيل + FEC	ميزة كبيرة في OSNR على المقاطع الطويلة

تُقاس جودة عين PAM4 بمقياس TDECQ (إغلاق عين الإرسال الرباعي الناتج عن التشتت) بدل قناع بسيط — وهو رقم مشتق من DSP يبيّن مقدار العمل الذي يجب أن يبذله معادِل مرجعي لاستعادة المستويات. المعايير واقتران FEC: FEC، وAN، وتدريب الوصلة.

ماذا يفعل DSP

مسارات المضيف ─► SerDes Rx ─► (إعادة التوقيت) ─► gearbox ─► DAC ─► المشغّل ─► الليزر/المضمِّن
الألياف ─► PD/TIA (خطي) ─► ADC ─► معادِل CTLE/FFE/DFE ─► الحاسم ─► (FEC في المتماسك) ─► gearbox ─► SerDes Tx ─► المضيف

الوظيفة	الغرض	ملاحظات
إعادة التوقيت	ساعة نظيفة على الجانبين — وظيفة CDR، مُستوعَبة داخل DSP	CDR
المعادلة — CTLE، FFE، DFE، وأحيانًا MLSE	تلغي قيود عرض النطاق للليزر والثنائي الضوئي والألياف ومسارات PCB بحيث تنفصل المستويات الأربعة من جديد	تكيّفية؛ تتقارب خلال ms عند إقامة الوصلة
Gearbox	تغيّر عدد المسارات: 8 × 50G PAM4 من المضيف ↔ 4 × 100G PAM4 إلى الجزء الضوئي (400G DR4/FR4)؛ 4 × 25G NRZ ↔ 2 × 50G PAM4 (100G DR)	لماذا تملك وحدة 400G ثمانية مسارات كهربائية وأربعة مسارات ضوئية
التشويه المسبق / تشكيل المشغّل	تعوّض عن لاخطية الليزر بحيث تتوزع المستويات الأربعة بتباعد متساوٍ	تُضبط لكل وحدة عند التصنيع
المراقبة	تقدير BER قبل FEC، وSNR، ومقاييس العين — مصدر VDM في CMIS	مقاييس VDM وFEC
FEC (المتماسك فقط)	oFEC / CFEC داخل الوحدة؛ وتترك وحدات Ethernet وظيفة RS-FEC للمضيف	400ZR: CFEC؛ OpenZR+: oFEC

التكلفة: يستهلك DSP في وحدة 400G نحو 3–6 W (نصف ميزانية القدرة للوحدة)، ويضيف ~50–100 ns من زمن الاستجابة وعشرات الدولارات. كما يقيّد الوحدة بـالتطبيقات التي صُمّمت من أجلها — ومن هنا جاء نموذج تطبيقات CMIS (CMIS).

معاد التوقيت، خطي، ونصف معاد التوقيت

البنية	تحتوي الوحدة على	القدرة (فئة 400G)	متطلبات المضيف	الحالة
DSP / معاد التوقيت بالكامل	ADC وDSP وDAC في الاتجاهين	8–12 W	أي مضيف متوافق — تقدّم الوحدة واجهة نظيفة	الشائع في 400G/800G
LPO — الضوئيات القابلة للإدخال الخطية	مشغّل + TIA خطي فقط؛ بلا DSP وبلا CDR	4–6 W	يجب أن يعادِل SerDes المضيف القناة كلها بما فيها الجزء الضوئي؛ يحتاج ASIC قادرًا وضبطًا لكل وصلة	وصلات قصيرة للذكاء الاصطناعي/HPC؛ LPO MSA (2023+)
LRO / HALO — نصف معاد التوقيت	DSP على جانب Tx (المضيف→الجزء الضوئي) فقط	6–8 W	متوسط	حل وسط ناشئ
CPO — الضوئيات المشترَكة التغليف	ضوئيات على حزمة ASIC الخاصة بالمبدّل؛ بلا قابلية إدخال	الأقل لكل بت	تصاميم مبدّلات جديدة	عمليات نشر مبكرة

وللتشخيص يهم هذا الفرق: فوحدة LPO لا تملك DSP يُبلغ عن BER أو SNR قبل FEC، لذا تبقى عدادات FEC في المضيف هي الرؤية الوحيدة على مستوى البتات، وتتوقف جودة الوصلة على إعدادات معادِل المضيف بقدر ما تتوقف على الجزء الضوئي.

الوحدات المتماسكة باختصار

تحتوي وحدة QSFP-DD أو OSFP من طراز 400ZR/ZR+ على ليزر قابل للضبط (nano-ITLA) يُستخدم كمصدر إرسال ومذبذب محلي معًا، ومضمِّن IQ (أربعة أقسام Mach-Zehnder، فوتونيات سيليكونية أو InP) تقوده محوّلات DAC الخاصة بـDSP، ومستقبل متماسك مدمج (هجين 90°، ثنائيات ضوئية متوازنة، TIA)، وDSP يقوم بتعويض التشتت اللوني وفصل الاستقطاب واستعادة الحامل وFEC — وهو مُرسل مُجاوب كان يشغل بطاقة خط كاملة، أصبح الآن في 15–20 W. وتظهر قيمه المقيسة (OSNR، CD، DGD، معامل الجودة Q، قدرة إشارة Rx) في VDM الخاص بـCMIS (المتماسك والمسافات الطويلة).

وحدات NRZ: السلسلة الكلاسيكية

في وحدات 1G–25G تكون السلسلة قصيرة — مشغّل، ليزر، ثنائي ضوئي، TIA، مضخم محدِّد، وCDR اختياري — وكل ما فيها تناظري. وتأتي مرونة السرعة من تجاوز CDR أو تبديل عرض النطاق عبر اختيار السرعة (اختيار السرعة)؛ والتشخيص يقتصر على قدرة Rx وعدادات CRC/FEC في المضيف؛ وزمن الاستجابة بضع نانوثوانٍ. وهذه البساطة سبب بقاء ضوئيات 10G و25G رخيصة، وسبب أنها لا تزال تمثّل معظم ما يراه المبرمج.

تبعات على المضيف

الموضوع	وحدة NRZ	وحدة PAM4 DSP	LPO
إقامة الوصلة	فورية	تقارب DSP + تهيئة مسار بيانات CMIS (من مئات الـms إلى ثوانٍ)	تدريب معادِل المضيف
FEC	اختياري/على المضيف	RS-FEC إلزامي (على المضيف)	RS-FEC إلزامي (على المضيف)
التفريع	حسب المسار، إذا كان الجزء الضوئي متوازيًا	التطبيقات المُعلَنة فقط	يعتمد على المضيف
فئة القدرة	1–3	4–7 (QSFP28 LR4) / CMIS 5–8	CMIS 3–5
مخاطر التوافق التشغيلي	منخفضة	إعدادات DSP للمضيف/الوحدة، وإصدار CMIS	مرتفعة — ضبط المضيف لكل نوع وحدة

الإقلاع والأعطال: ما يفعله المضيف، مشكلات CMIS، السرعة والمعدل.

في CodingBox

تخبرك بيانات التعريف بنوع السلسلة التي تملكها الوحدة: رموز ترميز NRZ مقابل PAM4، وبتات CDR، وتطبيقات CMIS بمعرِّفات واجهة المضيف والوسط الخاصة بها، وفئة القدرة التي تفضح وجود DSP. وبالنسبة إلى وحدات CMIS تضيف شاشة DDM رؤية DSP الخاصة — BER وSNR قبل FEC لكل مسار عبر VDM — إلى جانب القيم المقيسة الضوئية الكلاسيكية.

الجانب الكهربائي لوحدات LPO وDSP — نقاط توافق C2M، وOIF CEI-112G-Linear، ومن يعادِل ماذا في كل جيل: عائلة XGMII وXAUI وAUI.

إذا وجدت معلومة غير دقيقة أو خطأً في هذه المادة، فحدِّد المقطع المعني واضغط Ctrl+Enter .