NRZ, PAM4 और DSP: रीटाइमर, गियरबॉक्स, LPO, कोहेरेंट

प्रति लेन 25G तक एक ट्रांसीवर लेज़र को ऑन-ऑफ़ करके और नतीजे को कंपैरेटर से पढ़कर बिट भेजता था। इससे आगे ऑप्टिक्स को सस्ते में तेज़ बनाना मुमकिन नहीं रहा, इसलिए इंडस्ट्री ने हर सिंबल में ज़्यादा जानकारी भरी — PAM4 — और शोर भरे चार-स्तरीय वेवफ़ॉर्म को पढ़ने लायक बनाने के लिए मॉड्यूल में एक डिजिटल सिग्नल प्रोसेसर लगाया। अब DSP 400G+ मॉड्यूल की पावर, लागत और लेटेंसी पर हावी है, यही वजह है कि नई डिज़ाइनें इसे फिर हटाने (LPO) या और गहराई में ले जाने (कोहेरेंट) की कोशिश करती हैं। यह पेज बताता है कि सिग्नल-प्रोसेसिंग चेन क्या करती है और हर वैरिएंट होस्ट व डायग्नोस्टिक्स के लिए क्या मायने रखता है।

मॉड्यूलेशन फ़ॉर्मैट

फ़ॉर्मैट	प्रति सिंबल बिट	लेन के उदाहरण	रिसीवर की ज़रूरतें	NRZ की तुलना में पेनल्टी
NRZ (ऑन/ऑफ़, 2 स्तर)	1	1G, 10G, 25G, 40G (4×10), 100G (4×25)	लिमिटिंग एम्प्लिफ़ायर + CDR	—
PAM4 (4 स्तर)	2	प्रति लेन 50G, 100G, 200G; 400G (8×50 या 4×100), 800G	लीनियर फ़्रंट एंड, ADC, DSP इक्वलाइज़र; RS-FEC अनिवार्य	≈ 9.5 dB कम आई ओपनिंग → FEC और इक्वलाइज़ेशन चाहिए
कोहेरेंट (QPSK, 8QAM, 16QAM, दो पोलराइज़ेशन पर)	प्रति सिंबल 4–8	प्रति तरंगदैर्ध्य 100G–800G (ZR, ZR+)	लोकल-ऑसिलेटर लेज़र, 90° हाइब्रिड, बैलेंस्ड PD, 4-चैनल ADC + भारी DSP + FEC	लंबे स्पैन पर OSNR का बड़ा फ़ायदा

PAM4 की आई क्वालिटी को एक सामान्य मास्क की बजाय TDECQ (transmitter dispersion eye closure quaternary) के तौर पर मापा जाता है — यह DSP से निकला वह आँकड़ा है जो बताता है कि स्तरों को वापस पाने के लिए एक रेफ़रेंस इक्वलाइज़र को कितना काम करना पड़ता है। स्टैंडर्ड और FEC पेयरिंग: FEC, AN और लिंक ट्रेनिंग।

DSP क्या करता है

होस्ट लेन ─► SerDes Rx ─► (रीटाइम) ─► गियरबॉक्स ─► DAC ─► ड्राइवर ─► लेज़र/मॉड्यूलेटर
फ़ाइबर ─► PD/TIA (लीनियर) ─► ADC ─► CTLE/FFE/DFE इक्वलाइज़र ─► स्लाइसर ─► (कोहेरेंट में FEC) ─► गियरबॉक्स ─► SerDes Tx ─► होस्ट

फ़ंक्शन	उद्देश्य	नोट्स
रीटाइमिंग	दोनों तरफ़ क्लॉक को साफ़ करना — यह CDR का काम है, जो अब DSP में समा गया है	CDR
इक्वलाइज़ेशन — CTLE, FFE, DFE, कभी-कभी MLSE	लेज़र, फ़ोटोडायोड, फ़ाइबर और PCB ट्रेस की बैंडविड्थ सीमाओं को पलटना ताकि चारों स्तर फिर अलग-अलग दिखें	अडैप्टिव; लिंक-अप पर मिलीसेकंड में कन्वर्ज हो जाता है
गियरबॉक्स	लेन की संख्या बदलना: होस्ट से 8 × 50G PAM4 ↔ ऑप्टिक्स तक 4 × 100G PAM4 (400G DR4/FR4); 4 × 25G NRZ ↔ 2 × 50G PAM4 (100G DR)	400G मॉड्यूल में 8 इलेक्ट्रिकल और 4 ऑप्टिकल लेन क्यों होती हैं
प्री-डिस्टॉर्शन / ड्राइवर शेपिंग	लेज़र की नॉन-लीनियरिटी की भरपाई करना ताकि चारों स्तर बराबर फ़ासले पर रहें	प्रोडक्शन में हर मॉड्यूल के हिसाब से ट्यून किया जाता है
निगरानी	FEC-पूर्व BER अनुमान, SNR, आई मेट्रिक्स — CMIS VDM का स्रोत	VDM और FEC मेट्रिक्स
FEC (सिर्फ़ कोहेरेंट में)	मॉड्यूल के अंदर oFEC / CFEC; ईथरनेट मॉड्यूल RS-FEC होस्ट पर छोड़ देते हैं	400ZR: CFEC; OpenZR+: oFEC

लागत: एक 400G DSP 3–6 W खींचता है (मॉड्यूल के बजट का आधा), ~50–100 ns लेटेंसी और दसियों डॉलर जोड़ता है। यह मॉड्यूल को उन एप्लिकेशन तक भी सीमित कर देता है जिनके लिए इसे डिज़ाइन किया गया था — इसीलिए CMIS का एप्लिकेशन मॉडल है (CMIS)।

रीटाइम्ड, लीनियर, हाफ़-रीटाइम्ड

आर्किटेक्चर	मॉड्यूल में क्या है	पावर (400G क्लास)	होस्ट की ज़रूरत	स्टेटस
DSP / पूरी तरह रीटाइम्ड	दोनों दिशाओं में ADC, DSP, DAC	8–12 W	कोई भी कंप्लायंट होस्ट — मॉड्यूल एक साफ़ इंटरफ़ेस पेश करता है	400G/800G की मुख्यधारा
LPO — लीनियर प्लगेबल ऑप्टिक्स	सिर्फ़ ड्राइवर + लीनियर TIA; न DSP, न CDR	4–6 W	होस्ट के SerDes को ऑप्टिक्स समेत पूरे चैनल को इक्वलाइज़ करना पड़ता है; इसके लिए सक्षम ASIC और हर लिंक पर अलग ट्यूनिंग चाहिए	AI/HPC के छोटे लिंक; LPO MSA (2023+)
LRO / HALO — हाफ़-रीटाइम्ड	सिर्फ़ Tx (होस्ट→ऑप्टिक्स) साइड पर DSP	6–8 W	मध्यवर्ती	उभरता हुआ समझौता
CPO — को-पैकेज्ड ऑप्टिक्स	स्विच के ASIC पैकेज पर ऑप्टिक्स; कोई प्लगेबल हिस्सा नहीं	प्रति बिट सबसे कम	नई स्विच डिज़ाइनें	शुरुआती तैनाती

डायग्नोस्टिक्स के लिहाज़ से यह फ़र्क़ मायने रखता है: LPO मॉड्यूल में FEC-पूर्व BER या SNR रिपोर्ट करने के लिए कोई DSP नहीं होता, इसलिए होस्ट के FEC काउंटर ही बिट-स्तर की इकलौती झलक होते हैं, और लिंक की क्वालिटी उतनी ही होस्ट की इक्वलाइज़र सेटिंग्स पर निर्भर करती है जितनी ऑप्टिक्स पर।

संक्षेप में कोहेरेंट मॉड्यूल

एक 400ZR/ZR+ QSFP-DD या OSFP में एक ट्यून करने योग्य लेज़र (nano-ITLA) होता है जो ट्रांसमीटर सोर्स और लोकल ऑसिलेटर दोनों का काम करता है, एक IQ मॉड्यूलेटर (चार Mach-Zehnder सेक्शन, सिलिकॉन फ़ोटोनिक्स या InP) जिसे DSP के DAC चलाते हैं, एक इंटीग्रेटेड कोहेरेंट रिसीवर (90° हाइब्रिड, बैलेंस्ड फ़ोटोडायोड, TIA) और एक DSP जो क्रोमैटिक डिस्पर्शन कंपनसेशन, पोलराइज़ेशन डीमक्स, कैरियर रिकवरी और FEC करता है — यानी पहले लाइन-कार्ड में रहने वाला ट्रांसपॉन्डर अब सिर्फ़ 15–20 W में। इनके निगरानी पैरामीटर (OSNR, CD, DGD, Q-factor, Rx सिग्नल पावर) CMIS VDM में दिखते हैं (कोहेरेंट और लॉन्ग हॉल)।

NRZ मॉड्यूल: क्लासिक चेन

1G–25G मॉड्यूल में चेन छोटी होती है — ड्राइवर, लेज़र, फ़ोटोडायोड, TIA, लिमिटिंग एम्प्लिफ़ायर, वैकल्पिक CDR — और इसमें सब कुछ एनालॉग है। रेट फ़्लेक्सिबिलिटी CDR बायपास या रेट-सिलेक्ट बैंडविड्थ स्विचिंग से मिलती है (रेट सिलेक्ट); डायग्नोस्टिक्स के लिए Rx पावर और होस्ट के CRC/FEC काउंटर काम आते हैं; लेटेंसी बस कुछ नैनोसेकंड की होती है। यही सादगी है जिसकी वजह से 10G और 25G ऑप्टिक्स सस्ती बनी रहती हैं और प्रोग्रामर जो कुछ भी देखते हैं उसका बड़ा हिस्सा यही होता है।

होस्ट के लिए नतीजे

विषय	NRZ मॉड्यूल	PAM4 DSP मॉड्यूल	LPO
लिंक-अप	तुरंत	DSP कन्वर्जेंस + CMIS डेटा-पाथ इनिट (सैकड़ों ms से लेकर सेकंड तक)	होस्ट इक्वलाइज़र ट्रेनिंग
FEC	वैकल्पिक/होस्ट	RS-FEC अनिवार्य (होस्ट)	RS-FEC अनिवार्य (होस्ट)
ब्रेकआउट	लेन के हिसाब से, अगर ऑप्टिक्स पैरेलल हों	सिर्फ़ एडवरटाइज़्ड एप्लिकेशन	होस्ट पर निर्भर
पावर क्लास	1–3	4–7 (QSFP28 LR4) / CMIS 5–8	CMIS 3–5
इंटरऑप रिस्क	कम	होस्ट/मॉड्यूल DSP सेटिंग्स, CMIS वर्शन	ज़्यादा — हर मॉड्यूल टाइप के हिसाब से होस्ट ट्यूनिंग

ब्रिंग-अप और खराबियाँ: होस्ट क्या करता है, CMIS से जुड़ी समस्याएँ, स्पीड और रेट।

CodingBox में

पहचान जानकारी बताती है कि मॉड्यूल में कौन-सी चेन है: NRZ बनाम PAM4 एन्कोडिंग कोड, CDR बिट, अपने होस्ट और मीडिया इंटरफ़ेस ID वाले CMIS एप्लिकेशन, और वह पावर क्लास जो DSP की मौजूदगी बता देती है। CMIS मॉड्यूल के लिए DDM स्क्रीन क्लासिक ऑप्टिकल मॉनिटर के साथ-साथ DSP का अपना नज़रिया भी जोड़ती है — यानी हर लेन के लिए VDM का FEC-पूर्व BER और SNR।

LPO और DSP मॉड्यूल का इलेक्ट्रिकल पहलू — C2M कंप्लायंस पॉइंट, OIF CEI-112G-Linear, किस जनरेशन में कौन क्या इक्वलाइज़ करता है: XGMII, XAUI और AUI फ़ैमिली।

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