NRZ、PAM4 と DSP：リタイマー、ギアボックス、LPO、コヒーレント

レーン当たり 25G までのトランシーバーは、レーザーのオン・オフを切り替え、結果をコンパレーターで読み取ることでビットを送っていました。それを超えると、光学部品を安価なまま高速化することが難しくなったため、業界は1シンボルが運ぶ情報量を増やす方式（PAM4）を採用し、ノイズの多い4値波形を読み取れるようにするためのデジタル信号プロセッサーをモジュールに搭載しました。現在、DSP は 400G 以上のモジュールにおける消費電力、コスト、遅延の大部分を占めており、これが最新の設計が DSP を再び取り除こう（LPO）としたり、より奥へ移そう（コヒーレント）としたりする理由です。このページでは、信号処理チェーンが何を行うか、そして各方式がホストと診断にとって何を意味するかを説明します。

変調方式

方式	シンボルあたりビット数	レーンの例	受信器の要件	NRZ 比のペナルティ
NRZ（オン・オフ、2値）	1	1G、10G、25G、40G（4×10）、100G（4×25）	リミッティングアンプ + CDR	—
PAM4（4値）	2	レーンあたり 50G、100G、200G。400G（8×50 または 4×100）、800G	リニアフロントエンド、ADC、DSP イコライザー。RS-FEC 必須	アイ開口が約 9.5 dB 減少 → FEC と等化が必要
コヒーレント（QPSK、8QAM、16QAM、2偏波）	シンボルあたり 4–8	波長あたり 100G–800G（ZR、ZR+）	局部発振レーザー、90度ハイブリッド、バランス型 PD、4チャネル ADC + 高負荷 DSP + FEC	長距離スパンで OSNR に大きな優位性

PAM4 のアイ品質は、単純なマスクではなくTDECQ（transmitter dispersion eye closure quaternary）として測定されます。これは、基準となるイコライザーがレベルを復元するためにどれだけ働く必要があるかを DSP から導き出した指標です。規格と FEC の組み合わせについてはFEC、AN、リンクトレーニングを参照してください。

DSP が行うこと

ホストレーン ─► SerDes Rx ─► （リタイミング） ─► ギアボックス ─► DAC ─► ドライバー ─► レーザー／変調器
光ファイバー ─► PD/TIA（リニア） ─► ADC ─► CTLE/FFE/DFE イコライザー ─► スライサー ─► （コヒーレントでは FEC） ─► ギアボックス ─► SerDes Tx ─► ホスト

機能	目的	備考
リタイミング	両側でクロックを整える。CDR の役割が DSP に統合されたもの	CDR
等化（CTLE、FFE、DFE、場合によっては MLSE）	レーザー、フォトダイオード、光ファイバー、PCB 配線パターンの帯域制限を打ち消し、4つのレベルを再び分離する	適応型。リンクアップ時にミリ秒単位で収束する
ギアボックス	レーン数を変換する：ホスト側 8 × 50G PAM4 ↔ 光学側 4 × 100G PAM4（400G DR4/FR4）、4 × 25G NRZ ↔ 2 × 50G PAM4（100G DR）	400G モジュールに電気レーンが8本、光レーンが4本ある理由
プリディストーション／ドライバー整形	レーザーの非線形性を補償し、4つのレベルを均等な間隔にする	製造時にモジュールごとに調整
監視	FEC 前 BER の推定値、SNR、アイ指標。CMIS VDM の情報源	VDM と FEC 指標
FEC（コヒーレントのみ）	モジュール内部で oFEC／CFEC を実施。イーサネットモジュールは RS-FEC をホストに委ねる	400ZR：CFEC、OpenZR+：oFEC

コスト面では、400G DSP は 3–6 W を消費し（モジュールの消費電力予算の半分に相当）、約 50–100 ns の遅延と数十ドルのコストを追加します。また、モジュールを設計対象のアプリケーションに固定する要因にもなります。これが CMIS のアプリケーションモデルの根拠です（CMISを参照）。

リタイム型・リニア型・ハーフリタイム型

アーキテクチャ	モジュールの構成	消費電力（400G クラス）	ホスト側の要件	状況
DSP／完全リタイム型	両方向に ADC、DSP、DAC	8–12 W	準拠したホストであれば何でもよい。モジュールがクリーンなインターフェースを提示する	主流の 400G/800G
LPO — リニアプラガブルオプティクス	ドライバーとリニア TIA のみ。DSP も CDR もなし	4–6 W	ホスト側の SerDes が光学部品を含むチャネル全体を等化する必要がある。対応する ASIC とリンクごとのチューニングが必要	AI/HPC の短距離リンク、LPO MSA（2023年以降）
LRO／HALO — ハーフリタイム型	Tx側（ホスト→光学部品）のみに DSP	6–8 W	中間的	新興の折衷案
CPO — 共パッケージ光学	スイッチ ASIC パッケージ上に光学部品を搭載。プラガブルではない	ビットあたりの消費電力が最も低い	新しいスイッチ設計	導入初期段階

診断の観点ではこの違いが重要です。LPO モジュールには FEC 前 BER や SNR を報告する DSP がないため、ホスト側の FEC カウンターだけがビットレベルの唯一の手がかりとなり、リンク品質は光学部品と同じくらいホスト側のイコライザー設定に左右されます。

コヒーレントモジュールの概要

400ZR/ZR+ の QSFP-DD や OSFP には、送信光源と局部発振の両方として使われる波長可変レーザー（nano-ITLA）、DSP の DAC で駆動されるIQ 変調器（4つのマッハツェンダー区間、シリコンフォトニクスまたは InP）、集積コヒーレント受信器（90度ハイブリッド、バランス型フォトダイオード、TIA）、そして波長分散補償、偏波分離、搬送波再生、FEC を行う DSP が搭載されています。かつてラインカード型トランスポンダーだったものが、15–20 W に収まっています。これらの監視項目（OSNR、CD、DGD、Q値、Rx 信号パワー）は CMIS VDM に現れます（コヒーレントと長距離伝送を参照）。

NRZ モジュール：従来型のチェーン

1G–25G のモジュールではチェーンは短く、ドライバー、レーザー、フォトダイオード、TIA、リミッティングアンプ、任意の CDR で構成され、その全体がアナログです。レート柔軟性は CDR バイパスやレート選択による帯域切り替えから得られます（レート選択を参照）。診断は Rx パワーとホスト側の CRC/FEC カウンターによって行われ、遅延は数ナノ秒です。このシンプルさゆえに 10G と 25G の光学部品は安価であり続け、プログラマーで扱うモジュールの大半を今も占めています。

ホスト側への影響

項目	NRZ モジュール	PAM4 DSP モジュール	LPO
リンクアップ	即座	DSP の収束 + CMIS データパス初期化（数百 ms 〜数秒）	ホスト側イコライザーのトレーニング
FEC	任意／ホスト	RS-FEC 必須（ホスト）	RS-FEC 必須（ホスト）
ブレークアウト	光学部品がパラレルであればレーン単位で可能	アドバタイズされたアプリケーションのみ	ホスト依存
パワークラス	1–3	4–7（QSFP28 LR4）／CMIS 5–8	CMIS 3–5
相互接続リスク	低い	ホスト／モジュールの DSP 設定、CMIS バージョン	高い。モジュール種別ごとにホスト側のチューニングが必要

立ち上げと障害については、ホストが行うこと、CMIS の問題、速度とレートを参照してください。

CodingBox では

識別情報を見れば、モジュールがどちらのチェーンを持つかが分かります。NRZ と PAM4 のエンコードコード、CDR ビット、ホストとメディアのインターフェース ID を伴う CMIS アプリケーション、そして DSP の存在を示すパワークラスです。CMIS モジュールでは、DDM 画面が従来の光学監視項目に加えて、DSP 自身の視点（レーンごとの VDM の FEC 前 BER と SNR）を表示します。

LPO モジュールと DSP モジュールの電気的側面——C2M 準拠点、OIF CEI-112G-Linear、世代ごとに誰が何を等化するか：XGMII、XAUI と AUI ファミリー。

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