NRZ、PAM4 与 DSP：重定时器、gearbox、LPO 与相干技术

在每通道 25G 及以下，光模块通过开关激光器来传输比特，再用比较器读出结果。超过这个速率后，光学器件很难再便宜地提速，于是业界让每个符号携带更多信息——即 PAM4——并在模块中加入数字信号处理器，使带噪声的四电平波形变得可读。如今 DSP 主导着 400G+ 模块的功耗、成本和时延，这也是最新设计试图重新去掉它（LPO）或把它移到更深处（相干）的原因。本页介绍信号处理链做了什么，以及每种方案对主机和诊断意味着什么。

调制格式

格式	每符号比特数	通道示例	接收机需求	相对 NRZ 的代价
NRZ（开/关，2 电平）	1	1G、10G、25G、40G（4×10）、100G（4×25）	限幅放大器 + CDR	—
PAM4（4 电平）	2	每通道 50G、100G、200G；400G（8×50 或 4×100）、800G	线性前端、ADC、DSP 均衡器；强制要求 RS-FEC	眼开度减少约 9.5 dB → 需要 FEC 和均衡
相干（双偏振 QPSK、8QAM、16QAM）	每符号 4–8	每波长 100G–800G（ZR、ZR+）	本振激光器、90° 混频器、平衡 PD、4 通道 ADC + 高负荷 DSP + FEC	长距离下 OSNR 优势巨大

PAM4 的眼图质量用 TDECQ（四电平发射机色散眼图闭合度）衡量，而非简单的模板测试——它是一个由 DSP 推算出的指标，反映参考均衡器需要做多少工作才能恢复出各个电平。标准与 FEC 的配对关系： FEC、自动协商与链路训练。

DSP 做什么

主机通道 ─► SerDes Rx ─► （重定时） ─► 齿轮箱 ─► DAC ─► 驱动器 ─► 激光器/调制器
光纤 ─► PD/TIA（线性） ─► ADC ─► CTLE/FFE/DFE 均衡器 ─► 判决器 ─► （相干模块中为 FEC） ─► 齿轮箱 ─► SerDes Tx ─► 主机

功能	作用	备注
重定时	两侧都恢复干净的时钟——这是 CDR 的工作，现已被 DSP 吸收	CDR
均衡——CTLE、FFE、DFE，有时还有 MLSE	抵消激光器、光电二极管、光纤和 PCB 走线的带宽限制，使四个电平重新分开	自适应；链路建立时于毫秒级收敛
齿轮箱	改变通道数：主机侧 8 × 50G PAM4 ↔ 光学侧 4 × 100G PAM4（400G DR4/FR4）；4 × 25G NRZ ↔ 2 × 50G PAM4（100G DR）	这就是为什么 400G 模块有 8 个电通道和 4 个光通道
预失真 / 驱动整形	补偿激光器非线性，使四个电平间距均匀	生产时逐模块调校
监测	FEC 前误码率估计、信噪比、眼图指标——即 CMIS VDM 的数据来源	VDM 与 FEC 指标
FEC（仅相干模块）	模块内部使用 oFEC / CFEC；以太网模块把 RS-FEC 留给主机处理	400ZR：CFEC；OpenZR+：oFEC

代价：一颗 400G DSP 功耗为 3–6 W（占模块功耗预算的一半），增加约 50–100 ns 的时延和几十美元的成本。它还把模块固定在设计时选定的应用上——这正是 CMIS 应用模型的由来（CMIS）。

重定时、线性与半重定时

架构	模块内部包含	功耗（400G 级别）	主机要求	现状
DSP / 完全重定时	双向都有 ADC、DSP、DAC	8–12 W	任何合规主机——模块对外呈现干净的接口	400G/800G 主流方案
LPO——线性可插拔光模块	仅有驱动器 + 线性 TIA；无 DSP，无 CDR	4–6 W	主机 SerDes 必须均衡包括光学部分在内的整条通道；需要能力足够的 ASIC 并逐链路调优	AI/HPC 短距链路；LPO MSA（2023 年起）
LRO / HALO——半重定时	仅在 Tx（主机→光学）方向有 DSP	6–8 W	介于两者之间	新兴的折中方案
CPO——共封装光学	光学器件与交换 ASIC 共封装；不可插拔	每比特功耗最低	新型交换机设计	早期部署阶段

这种差异对诊断很重要：LPO 模块没有 DSP 来上报 FEC 前误码率或信噪比，因此主机的 FEC 计数器是唯一的比特级视图，链路质量既取决于光学部分，也同样取决于主机均衡器的设置。

相干模块简介

一个 400ZR/ZR+ 的 QSFP-DD 或 OSFP 模块内部包含：一个可调谐激光器（nano-ITLA），同时作为发射光源和本振；一个由 DSP 的 DAC 驱动的 IQ 调制器（四段马赫-曾德尔，硅光或 InP）；一个集成相干接收机（90° 混频器、平衡光电二极管、TIA）；以及一颗负责色度色散补偿、偏振解复用、载波恢复和 FEC 的 DSP——相当于把曾经的线卡级中继器压缩进 15–20 W 之内。它们的监测量（OSNR、CD、DGD、Q 因子、Rx 信号功率）会出现在 CMIS VDM 中（相干与长距传输）。

NRZ 模块：经典信号链

在 1G–25G 模块上，信号链很短——驱动器、激光器、光电二极管、TIA、限幅放大器、可选的 CDR——而且全部都是模拟电路。速率的灵活性来自 CDR 旁路或速率选择带宽切换（速率选择）；诊断手段是 Rx 功率和主机的 CRC/FEC 计数器；时延只有几纳秒。正是这种简单性，让 10G 和 25G 光模块保持低价，也让它们至今仍是编程器最常见到的模块类型。

对主机的影响

主题	NRZ 模块	PAM4 DSP 模块	LPO
链路建立	立即	DSP 收敛 + CMIS 数据通路初始化（数百毫秒到数秒）	主机均衡器训练
FEC	可选/由主机处理	强制 RS-FEC（主机）	强制 RS-FEC（主机）
拆分	若光学部分为并行结构，可按通道拆分	仅限已声明的应用	取决于主机
功率等级	1–3	4–7（QSFP28 LR4）/ CMIS 5–8	CMIS 3–5
互操作风险	低	与主机/模块 DSP 设置、CMIS 版本相关	高——需按模块类型逐一调校主机

链路启动与故障：主机的初始化流程、 CMIS 问题、速度与速率。

在 CodingBox 中

身份信息会告诉你模块用的是哪种信号链：NRZ 还是 PAM4 编码代码、CDR 位、带有主机和媒介接口 ID 的 CMIS 应用，以及能暴露 DSP 存在的功率等级。对于 CMIS 模块， DDM 界面会在经典光学监测量的基础上，加入 DSP 自身的视图——每通道的 VDM FEC 前误码率和信噪比。

LPO 和 DSP 模块的电气侧——C2M 合规点、OIF CEI-112G-Linear，以及每一代由谁负责均衡：XGMII、XAUI 与 AUI 系列。

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