NRZ、PAM4 與 DSP：重定時器、gearbox、LPO 與相干技術

在每通道 25G 及以下，光模組通過開關激光器來傳輸位元，再用比較器讀出結果。超過這個速率後，光學器件很難再便宜地提速，於是業界讓每個符號攜帶更多資訊——即 PAM4——並在模組中加入數字信號處理器，使帶噪聲的四電平波形變得可讀。如今 DSP 主導著 400G+ 模組的功耗、成本和時延，這也是最新設計試圖重新去掉它（LPO）或把它移到更深處（相干）的原因。本頁介紹信號處理鏈做了甚麼，以及每種方案對主機和診斷意味著甚麼。

調製格式

格式	每符號位元數	通道示例	接收器需求	相對 NRZ 的代價
NRZ（開/關，2 電平）	1	1G、10G、25G、40G（4×10）、100G（4×25）	限幅放大器 + CDR	—
PAM4（4 電平）	2	每通道 50G、100G、200G；400G（8×50 或 4×100）、800G	線性前端、ADC、DSP 均衡器；強制要求 RS-FEC	眼開度減少約 9.5 dB → 需要 FEC 和均衡
相干（雙偏振 QPSK、8QAM、16QAM）	每符號 4–8	每波長 100G–800G（ZR、ZR+）	本振激光器、90° 混頻器、平衡 PD、4 通道 ADC + 高負荷 DSP + FEC	長距離下 OSNR 優勢巨大

PAM4 的眼圖品質用 TDECQ（四電平發射器色散眼圖閉合度）衡量，而非簡單的模板測試——它是一個由 DSP 推算出的指標，反映參考均衡器需要做多少工作才能恢復出各個電平。標準與 FEC 的配對關係： FEC、自動協商與鏈路訓練。

DSP 做甚麼

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	備註
重定時	兩側都恢復乾淨的時鐘——這是 CDR 的工作，現已被 DSP 吸收	CDR
均衡——CTLE、FFE、DFE，有時還有 MLSE	抵消激光器、光電二極管、光纖和 PCB 走線的頻寬限制，使四個電平重新分開	自適應；鏈路建立時於毫秒級收斂
齒輪箱	改變通道數：主機側 8 × 50G PAM4 ↔ 光學側 4 × 100G PAM4（400G DR4/FR4）；4 × 25G NRZ ↔ 2 × 50G PAM4（100G DR）	這就是為甚麼 400G 模組有 8 個電通道和 4 個光通道
預失真 / 驅動整形	補償激光器非線性，使四個電平間距均勻	生產時逐模組調校
監測	FEC 前誤碼率估計、信噪比、眼圖指標——即 CMIS VDM 的數據來源	VDM 與 FEC 指標
FEC（僅相干模組）	模組內部使用 oFEC / CFEC；以太網模組把 RS-FEC 留給主機處理	400ZR：CFEC；OpenZR+：oFEC

代價：一顆 400G DSP 功耗為 3–6 W（佔模組功耗預算的一半），增加約 50–100 ns 的時延和幾十美元的成本。它還把模組固定在設計時選定的應用上——這正是 CMIS 應用模型的由來（CMIS）。

重定時、線性與半重定時

架構	模組內部包含	功耗（400G 級別）	主機要求	現狀
DSP / 完全重定時	雙向都有 ADC、DSP、DAC	8–12 W	任何合規主機——模組對外呈現乾淨的介面	400G/800G 主流方案
LPO——線性可插拔光模組	僅有驅動器 + 線性 TIA；無 DSP，無 CDR	4–6 W	主機 SerDes 必須均衡包括光學部分在內的整條通道；需要能力足夠的 ASIC 並逐鏈路調優	AI/HPC 短距鏈路；LPO MSA（2023 年起）
LRO / HALO——半重定時	僅在 Tx（主機→光學）方向有 DSP	6–8 W	介於兩者之間	新興的折中方案
CPO——共封裝光學	光學器件與交換 ASIC 共封裝；不可插拔	每位元功耗最低	新型交換機設計	早期部署階段

這種差異對診斷很重要：LPO 模組沒有 DSP 來上報 FEC 前誤碼率或信噪比，因此主機的 FEC 計數器是唯一的位元級視圖，鏈路品質既取決於光學部分，也同樣取決於主機均衡器的設定。

相干模組簡介

一個 400ZR/ZR+ 的 QSFP-DD 或 OSFP 模組內部包含：一個可調諧激光器（nano-ITLA），同時作為發射光源和本振；一個由 DSP 的 DAC 驅動的 IQ 調製器（四段馬赫-曾德爾，矽光子或 InP）；一個集成相干接收器（90° 混頻器、平衡光電二極管、TIA）；以及一顆負責色度色散補償、偏振解複用、載波恢復和 FEC 的 DSP——相當於把曾經的線卡級中繼器壓縮進 15–20 W 之內。它們的監測量（OSNR、CD、DGD、Q 因子、Rx 信號功率）會出現在 CMIS VDM 中（相干與長距傳輸）。

NRZ 模組：經典信號鏈

在 1G–25G 模組上，信號鏈很短——驅動器、激光器、光電二極管、TIA、限幅放大器、可選的 CDR——而且全部都是模擬電路。速率的靈活性來自 CDR 旁路或速率選擇頻寬切換（速率選擇）；診斷手段是 Rx 功率和主機的 CRC/FEC 計數器；時延只有幾納秒。正是這種簡單性，讓 10G 和 25G 光模組保持低價，也讓它們至今仍是編程器最常見到的模組類型。

對主機的影響

主題	NRZ 模組	PAM4 DSP 模組	LPO
鏈路建立	立即	DSP 收斂 + CMIS 數據通路初始化（數百毫秒到數秒）	主機均衡器訓練
FEC	可選/由主機處理	強制 RS-FEC（主機）	強制 RS-FEC（主機）
拆分	若光學部分為並行結構，可按通道拆分	僅限已聲明的應用	取決於主機
功率等級	1–3	4–7（QSFP28 LR4）/ CMIS 5–8	CMIS 3–5
互操作風險	低	與主機/模組 DSP 設定、CMIS 版本相關	高——需按模組類型逐一調校主機

鏈路啟動與故障：主機的初始化流程、 CMIS 問題、速度與速率。

在 CodingBox 中

身份資訊會告訴你模組用的是哪種信號鏈：NRZ 還是 PAM4 編碼代碼、CDR 位元、帶有主機和媒介介面 ID 的 CMIS 應用，以及能暴露 DSP 存在的功率等級。對於 CMIS 模組， DDM 介面會在經典光學監測量的基礎上，加入 DSP 自身的視圖——每通道的 VDM FEC 前誤碼率和信噪比。

LPO 和 DSP 模組的電氣側——C2M 合規點、OIF CEI-112G-Linear，以及每一代由誰負責均衡：XGMII、XAUI 與 AUI 系列。

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