NRZ, PAM4 และ DSP: รีไทเมอร์, เกียร์บ็อกซ์, LPO และโคฮีเรนต์

จนถึง 25G ต่อเลน ทรานซีฟเวอร์ย้ายบิตด้วยการเปิดปิดเลเซอร์แล้วอ่านผลลัพธ์ด้วยตัวเปรียบเทียบ เกินจากนั้นภาคออปติคัลไม่สามารถเร็วขึ้นได้ในราคาถูก อุตสาหกรรมจึงทำให้แต่ละสัญลักษณ์บรรทุกข้อมูลมากขึ้น — PAM4 — และใส่ ตัวประมวลผลสัญญาณดิจิทัล ลงในโมดูลเพื่อให้อ่านรูปคลื่นสี่ระดับที่มีสัญญาณรบกวนได้ ปัจจุบัน DSP ครองสัดส่วนหลักของกำลังไฟฟ้า ต้นทุน และเวลาหน่วงของโมดูลระดับ 400G ขึ้นไป จึงเป็นเหตุผลที่การออกแบบรุ่นใหม่พยายามตัดมันออกอีกครั้ง (LPO) หรือย้ายมันไปลึกขึ้น (โคฮีเรนต์) หน้านี้อธิบายว่าห่วงโซ่การประมวลผลสัญญาณทำอะไรบ้าง และแต่ละรูปแบบมีความหมายอย่างไรต่อโฮสต์และการวินิจฉัย

รูปแบบการมอดูเลต

รูปแบบ	จำนวนบิตต่อสัญลักษณ์	ตัวอย่างเลน	สิ่งที่ตัวรับต้องการ	ค่าปรับเทียบกับ NRZ
NRZ (เปิด/ปิด 2 ระดับ)	1	1G, 10G, 25G, 40G (4×10), 100G (4×25)	ตัวขยายสัญญาณแบบจำกัดระดับ + CDR	—
PAM4 (4 ระดับ)	2	50G, 100G, 200G ต่อเลน; 400G (8×50 หรือ 4×100), 800G	ภาคหน้าเชิงเส้น, ADC, ตัวปรับสมดุลสัญญาณของ DSP; ต้องมี RS-FEC	ช่องเปิดตาสัญญาณลดลง ≈ 9.5 dB → ต้องใช้ FEC และการปรับสมดุลสัญญาณ
โคฮีเรนต์ (QPSK, 8QAM, 16QAM บนสองโพลาไรเซชัน)	4–8 ต่อสัญลักษณ์	100G–800G ต่อความยาวคลื่น (ZR, ZR+)	เลเซอร์ออสซิลเลเตอร์ท้องถิ่น, ไฮบริด 90°, โฟโตไดโอดแบบบาลานซ์, ADC 4 ช่องสัญญาณ + DSP ทำงานหนัก + FEC	ได้เปรียบด้าน OSNR อย่างมากในระยะไกล

คุณภาพตาสัญญาณของ PAM4 วัดเป็น TDECQ (transmitter dispersion eye closure quaternary) แทนที่จะเป็นมาสก์อย่างง่าย — ตัวเลขที่ได้จาก DSP ซึ่งบ่งบอกว่าตัวปรับสมดุลสัญญาณอ้างอิงต้องทำงานมากเพียงใดเพื่อกู้คืนระดับสัญญาณ มาตรฐานและการจับคู่กับ FEC: FEC, AN และการฝึกลิงก์

DSP ทำอะไรบ้าง

host lanes ─► SerDes Rx ─► (retime) ─► gearbox ─► DAC ─► driver ─► laser/modulator
fibre ─► PD/TIA (linear) ─► ADC ─► CTLE/FFE/DFE equaliser ─► slicer ─► (FEC in coherent) ─► gearbox ─► SerDes Tx ─► host

ฟังก์ชัน	จุดประสงค์	หมายเหตุ
การรีไทม์	สัญญาณนาฬิกาสะอาดทั้งสองด้าน — งานของ CDR ที่ถูกรวมเข้าไปใน DSP	CDR
การปรับสมดุลสัญญาณ — CTLE, FFE, DFE บางครั้งก็ MLSE	ลบล้างข้อจำกัดแบนด์วิดท์ของเลเซอร์ โฟโตไดโอด ใยแก้วนำแสง และลายวงจรบน PCB เพื่อให้สี่ระดับแยกออกจากกันได้อีกครั้ง	ปรับตัวเองได้ ลู่เข้าภายในไม่กี่มิลลิวินาทีเมื่อลิงก์เริ่มทำงาน
เกียร์บ็อกซ์	เปลี่ยนจำนวนเลน: 8 × 50G PAM4 จากโฮสต์ ↔ 4 × 100G PAM4 ไปยังภาคออปติคัล (400G DR4/FR4); 4 × 25G NRZ ↔ 2 × 50G PAM4 (100G DR)	เหตุผลที่โมดูล 400G มี 8 เลนไฟฟ้าและ 4 เลนออปติคัล
การบิดเบือนล่วงหน้า/การขึ้นรูปสัญญาณของไดรเวอร์	ชดเชยความไม่เป็นเชิงเส้นของเลเซอร์เพื่อให้สี่ระดับห่างเท่ากัน	ปรับจูนทีละโมดูลในสายการผลิต
การตรวจติดตาม	ค่าประมาณ BER ก่อน FEC, SNR, ค่าตาสัญญาณ — ที่มาของ VDM ใน CMIS	VDM และค่าเมตริกของ FEC
FEC (เฉพาะโคฮีเรนต์)	oFEC/CFEC อยู่ภายในโมดูล; โมดูล Ethernet ปล่อยให้ RS-FEC เป็นหน้าที่ของโฮสต์	400ZR: CFEC; OpenZR+: oFEC

ต้นทุน: DSP ของ 400G กินไฟ 3–6 W (ครึ่งหนึ่งของงบประมาณกำลังไฟของโมดูล) เพิ่มเวลาหน่วงราว 50–100 ns และต้นทุนหลายสิบดอลลาร์ นอกจากนี้ยังผูกโมดูลไว้กับ แอปพลิเคชัน ที่ออกแบบมาให้รองรับ — นี่คือที่มาของโมเดลแอปพลิเคชันของ CMIS (CMIS)

รีไทม์เต็มรูปแบบ เชิงเส้น และรีไทม์บางส่วน

สถาปัตยกรรม	สิ่งที่อยู่ในโมดูล	กำลังไฟ (ระดับ 400G)	ข้อกำหนดของโฮสต์	สถานะ
DSP/รีไทม์เต็มรูปแบบ	ADC, DSP, DAC ทั้งสองทิศทาง	8–12 W	โฮสต์ที่รองรับมาตรฐานใดก็ได้ — โมดูลนำเสนออินเทอร์เฟซที่สะอาด	กระแสหลักของ 400G/800G
LPO — ออปติคัลแบบเสียบถอดเชิงเส้น	มีเฉพาะไดรเวอร์ + TIA เชิงเส้น; ไม่มี DSP ไม่มี CDR	4–6 W	SerDes ของโฮสต์ต้องปรับสมดุลสัญญาณทั้งช่องสัญญาณรวมถึงภาคออปติคัลด้วย; ต้องการ ASIC ที่มีสมรรถนะสูงพอและปรับจูนทีละลิงก์	ลิงก์ระยะสั้นของ AI/HPC; LPO MSA (2023 เป็นต้นไป)
LRO/HALO — รีไทม์บางส่วน	มี DSP เฉพาะฝั่ง Tx (โฮสต์→ภาคออปติคัล)	6–8 W	ระดับกลาง	ทางประนีประนอมที่กำลังเกิดขึ้นใหม่
CPO — ออปติคัลรวมแพ็กเกจ	ภาคออปติคัลอยู่บนแพ็กเกจ ASIC ของสวิตช์; ไม่มีชิ้นส่วนเสียบถอด	ต่ำสุดต่อบิต	การออกแบบสวิตช์รุ่นใหม่	เริ่มใช้งานจริงในช่วงแรก

ความแตกต่างนี้สำคัญต่อการวินิจฉัย: โมดูล LPO ไม่มี DSP ที่จะรายงาน BER ก่อน FEC หรือ SNR ดังนั้นตัวนับ FEC ของโฮสต์จึงเป็นมุมมองระดับบิตเพียงอย่างเดียว และคุณภาพของลิงก์ขึ้นอยู่กับการตั้งค่าตัวปรับสมดุลสัญญาณของโฮสต์พอ ๆ กับที่ขึ้นอยู่กับภาคออปติคัล

โมดูลโคฮีเรนต์โดยสรุป

QSFP-DD หรือ OSFP แบบ 400ZR/ZR+ บรรจุ เลเซอร์ปรับความยาวคลื่นได้ (nano-ITLA) ที่ใช้เป็นทั้งแหล่งกำเนิดของตัวส่งและออสซิลเลเตอร์ท้องถิ่น, ตัวมอดูเลต IQ (สี่ส่วนแบบ Mach-Zehnder ผลิตด้วยซิลิคอนโฟโตนิกส์หรือ InP) ที่ขับด้วย DAC ของ DSP, ตัวรับโคฮีเรนต์แบบรวมในตัว (ไฮบริด 90°, โฟโตไดโอดแบบบาลานซ์, TIA) และ DSP ที่ทำหน้าที่ชดเชยดิสเพอร์ชันแบบโครมาติก ดีมัลติเพล็กซ์โพลาไรเซชัน กู้คืนคลื่นพาห์ และ FEC — ซึ่งเดิมเคยเป็นทรานสปอนเดอร์ขนาดเท่าการ์ดสาย แต่ปัจจุบันทำงานด้วยกำลังไฟเพียง 15–20 W มอนิเตอร์ของอุปกรณ์เหล่านี้ (OSNR, CD, DGD, Q-factor, กำลังสัญญาณ Rx) ปรากฏใน VDM ของ CMIS (โคฮีเรนต์และระยะไกล)

โมดูล NRZ: ห่วงโซ่แบบดั้งเดิม

ในโมดูลระดับ 1G–25G ห่วงโซ่สั้นมาก — ไดรเวอร์ เลเซอร์ โฟโตไดโอด TIA ตัวขยายสัญญาณแบบจำกัดระดับ และ CDR ที่เป็นทางเลือก — ทุกอย่างในนั้นเป็นแอนะล็อกล้วน ความยืดหยุ่นด้านอัตราสัญญาณมาจากการบายพาส CDR หรือการสลับแบนด์วิดท์แบบเลือกอัตรา (การเลือกอัตรา) การวินิจฉัยอาศัยกำลัง Rx และตัวนับ CRC/FEC ของโฮสต์ เวลาหน่วงอยู่ที่ไม่กี่นาโนวินาที ความเรียบง่ายนี้เป็นเหตุผลที่ภาคออปติคัลระดับ 10G และ 25G ยังคงมีราคาถูก และเป็นเหตุผลที่มันยังคงเป็นสิ่งที่เครื่องโปรแกรมพบเห็นเป็นส่วนใหญ่

ผลที่เกิดกับฝั่งโฮสต์

หัวข้อ	โมดูล NRZ	โมดูล PAM4 ที่มี DSP	LPO
การเริ่มลิงก์	ทันที	การลู่เข้าของ DSP + การตั้งค่าเริ่มต้นดาต้าพาธของ CMIS (หลายร้อยมิลลิวินาทีถึงหลายวินาที)	การฝึกตัวปรับสมดุลสัญญาณของโฮสต์
FEC	ทางเลือก/อยู่ที่โฮสต์	ต้องมี RS-FEC (โฮสต์)	ต้องมี RS-FEC (โฮสต์)
เบรกเอาต์	แยกตามเลน หากภาคออปติคัลเป็นแบบขนาน	เฉพาะแอปพลิเคชันที่ประกาศรองรับ	ขึ้นอยู่กับโฮสต์
กลุ่มกำลังไฟ	1–3	4–7 (QSFP28 LR4) / CMIS 5–8	CMIS 3–5
ความเสี่ยงด้านความเข้ากันได้	ต่ำ	การตั้งค่า DSP ของโฮสต์/โมดูล, เวอร์ชันของ CMIS	สูง — ต้องปรับจูนโฮสต์ตามชนิดของโมดูล

การเริ่มทำงานและความล้มเหลว: สิ่งที่โฮสต์ทำ, ปัญหาของ CMIS, ความเร็วและอัตรา

ใน CodingBox

ข้อมูลระบุตัวตนบอกได้ว่าโมดูลมีห่วงโซ่แบบใด: รหัสการเข้ารหัส NRZ เทียบกับ PAM4, บิตของ CDR, แอปพลิเคชันของ CMIS พร้อมรหัสอินเทอร์เฟซฝั่งโฮสต์และฝั่งสื่อนำสัญญาณ และกลุ่มกำลังไฟที่บ่งชี้ว่ามี DSP อยู่หรือไม่ สำหรับโมดูล CMIS หน้าจอ DDM เพิ่มมุมมองของ DSP เอง — BER ก่อน FEC และ SNR ต่อเลนจาก VDM — ควบคู่กับมอนิเตอร์ออปติคัลแบบคลาสสิก

ด้านไฟฟ้าของโมดูล LPO และ DSP — จุดความสอดคล้อง C2M, OIF CEI-112G-Linear, ใครปรับสมดุลสัญญาณอะไรในแต่ละรุ่น: XGMII, XAUI และตระกูล AUI

หากพบข้อมูลที่ไม่ถูกต้องหรือข้อผิดพลาดในบทความนี้ ให้เลือกข้อความส่วนนั้นแล้วกด Ctrl+Enter เพื่อ