NRZ, PAM4 und der DSP: Retimer, Gearbox, LPO, kohärent

Bis 25G pro Lane bewegte ein Transceiver Bits, indem er einen Laser ein- und ausschaltete und das Ergebnis mit einem Komparator las. Darüber hinaus ließ sich die Optik nicht mehr günstig beschleunigen, also ließ die Industrie jedes Symbol mehr tragen — PAM4 — und setzte einen digitalen Signalprozessor in das Modul, um eine verrauschte Vierpegel-Wellenform lesbar zu machen. Der DSP dominiert heute Leistungsaufnahme, Kosten und Latenz von 400G+-Modulen, weshalb die neuesten Designs versuchen, ihn wieder zu entfernen (LPO) oder tiefer zu verlagern (kohärent). Diese Seite erklärt, was die Signalverarbeitungskette leistet und was jede Variante für Hosts und Diagnose bedeutet.

Modulationsformate

Format	Bits pro Symbol	Lane-Beispiele	Anforderungen an den Empfänger	Strafe gegenüber NRZ
NRZ (ein/aus, 2 Pegel)	1	1G, 10G, 25G, 40G (4×10), 100G (4×25)	Begrenzerverstärker + CDR	—
PAM4 (4 Pegel)	2	50G, 100G, 200G pro Lane; 400G (8×50 oder 4×100), 800G	lineares Front-End, ADC, DSP-Equalizer; RS-FEC verpflichtend	≈ 9,5 dB geringere Augenöffnung → braucht FEC und Entzerrung
Kohärent (QPSK, 8QAM, 16QAM auf zwei Polarisationen)	4–8 pro Symbol	100G–800G pro Wellenlänge (ZR, ZR+)	Lokaloszillator-Laser, 90°-Hybrid, symmetrische Photodioden, 4-Kanal-ADC + aufwendiger DSP + FEC	großer OSNR-Vorteil über lange Strecken

Die PAM4-Augenqualität wird als TDECQ (transmitter dispersion eye closure quaternary) gemessen statt als einfache Maske — ein DSP-abgeleiteter Wert dafür, wie stark ein Referenz-Equalizer arbeiten muss, um die Pegel wiederherzustellen. Standards und FEC-Zuordnung: FEC, AN & Link-Training.

Was der DSP tut

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

Funktion	Zweck	Hinweise
Retiming	sauberer Takt auf beiden Seiten — Aufgabe des CDR, im DSP integriert	CDR
Entzerrung — CTLE, FFE, DFE, teils MLSE	Bandbreitenbegrenzungen von Laser, Photodiode, Faser und Leiterbahnen aufheben, damit sich die vier Pegel wieder trennen	adaptiv; konvergiert innerhalb von Millisekunden beim Link-up
Gearbox	ändert die Lane-Anzahl: 8 × 50G PAM4 vom Host ↔ 4 × 100G PAM4 zur Optik (400G DR4/FR4); 4 × 25G NRZ ↔ 2 × 50G PAM4 (100G DR)	Grund, warum ein 400G-Modul 8 elektrische und 4 optische Lanes hat
Vorverzerrung / Treiberformung	gleicht Nichtlinearität des Lasers aus, damit die vier Pegel gleichmäßig verteilt sind	pro Modul in der Produktion abgestimmt
Überwachung	Pre-FEC-BER-Schätzung, SNR, Augenmetriken — Quelle des CMIS-VDM	VDM & FEC-Metriken
FEC (nur kohärent)	oFEC / CFEC im Modul; Ethernet-Module überlassen RS-FEC dem Host	400ZR: CFEC; OpenZR+: oFEC

Kosten: Ein 400G-DSP zieht 3–6 W (die Hälfte des Modulbudgets), fügt ~50–100 ns Latenz hinzu und kostet einige zehn Dollar. Außerdem bindet er das Modul an die Applikationen, für die es entworfen wurde — daher das CMIS-Applikationsmodell (CMIS).

Retimed, linear, half-retimed

Architektur	Modul enthält	Leistung (400G-Klasse)	Host-Anforderung	Status
DSP / vollständig retimed	ADC, DSP, DAC in beiden Richtungen	8–12 W	jeder konforme Host — das Modul präsentiert eine saubere Schnittstelle	verbreitet bei 400G/800G
LPO — linear pluggable optics	nur Treiber + linearer TIA; kein DSP, kein CDR	4–6 W	Host-SerDes muss den gesamten Kanal einschließlich der Optik entzerren; braucht einen leistungsfähigen ASIC und Abstimmung pro Link	AI/HPC-Kurzstrecken; LPO-MSA (2023+)
LRO / HALO — half-retimed	DSP nur auf der Tx-Seite (Host→Optik)	6–8 W	Zwischenlösung	aufkommender Kompromiss
CPO — co-packaged optics	Optik auf dem Switch-ASIC-Gehäuse; nicht steckbar	niedrigste Leistung pro Bit	neue Switch-Designs	frühe Einsätze

Für die Diagnose macht das einen Unterschied: Ein LPO-Modul hat keinen DSP, der Pre-FEC-BER oder SNR melden könnte, daher sind die FEC-Zähler des Hosts die einzige Sicht auf Bit-Ebene, und die Link-Qualität hängt ebenso von den Equalizer-Einstellungen des Hosts ab wie von der Optik.

Kohärente Module im Überblick

Ein 400ZR/ZR+ QSFP-DD oder OSFP enthält einen durchstimmbaren Laser (Nano-ITLA), der sowohl als Sendequelle als auch als Lokaloszillator dient, einen IQ-Modulator (vier Mach-Zehnder-Sektionen, Silizium-Photonik oder InP), angesteuert von den DACs des DSP, einen integrierten kohärenten Empfänger (90°-Hybrid, symmetrische Photodioden, TIAs) und einen DSP, der chromatische Dispersionskompensation, Polarisations-Demultiplexing, Trägerrückgewinnung und FEC übernimmt — ein früherer Line-Card-Transponder in 15–20 W. Ihre Monitore (OSNR, CD, DGD, Q-Faktor, Rx-Signalleistung) erscheinen im CMIS-VDM (Kohärent & Weitverkehr).

NRZ-Module: die klassische Kette

Bei 1G–25G-Modulen ist die Kette kurz — Treiber, Laser, Photodiode, TIA, Begrenzerverstärker, optionaler CDR — und alles daran ist analog. Ratenflexibilität kommt über CDR-Bypass oder Rate-Select-Bandbreitenumschaltung (Rate Select); die Diagnose besteht aus Rx-Leistung und den CRC/FEC-Zählern des Hosts; die Latenz beträgt wenige Nanosekunden. Diese Einfachheit ist der Grund, warum 10G- und 25G-Optik günstig bleibt und weiterhin den Großteil dessen ausmacht, was Programmiergeräte zu sehen bekommen.

Auswirkungen für den Host

Thema	NRZ-Modul	PAM4-DSP-Modul	LPO
Link-up	sofort	DSP-Konvergenz + CMIS-Data-Path-Init (Hunderte ms bis Sekunden)	Host-Equalizer-Training
FEC	optional/Host	RS-FEC verpflichtend (Host)	RS-FEC verpflichtend (Host)
Breakout	pro Lane, wenn die Optik parallel ist	nur beworbene Applikationen	hostabhängig
Leistungsklasse	1–3	4–7 (QSFP28 LR4) / CMIS 5–8	CMIS 3–5
Interop-Risiko	niedrig	Host/Modul-DSP-Einstellungen, CMIS-Version	hoch — Host-Abstimmung pro Modultyp

Inbetriebnahme und Fehler: Was der Host tut, CMIS-Probleme, Speed & Rate.

In CodingBox

Die Identität verrät, welche Kette ein Modul besitzt: NRZ- vs. PAM4-Kodierungscodes, CDR-Bits, CMIS-Applikationen mit ihren Host- und Medien-Interface-IDs sowie die Leistungsklasse, die einen DSP verrät. Bei CMIS-Modulen ergänzt der Bildschirm DDM die eigene Sicht des DSP — VDM-Pre-FEC-BER und SNR pro Lane — neben den klassischen optischen Monitoren.

Die elektrische Seite von LPO- und DSP-Modulen — C2M-Konformitätspunkte, OIF CEI-112G-Linear, wer pro Generation was entzerrt: XGMII, XAUI und die AUI-Familie.

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