NRZ, PAM4 et le DSP : retimers, gearboxes, LPO, cohérent

Jusqu’à 25G par voie, un transceiver déplaçait les bits en allumant et éteignant un laser et en lisant le résultat avec un comparateur. Au-delà, l’optique ne pouvait plus accélérer à bas coût, alors l’industrie a fait porter plus d’information à chaque symbole — le PAM4 — et placé un processeur de signal numérique dans le module pour rendre lisible une forme d’onde bruitée à quatre niveaux. Le DSP domine désormais la consommation, le coût et la latence des modules 400G et plus, ce qui explique pourquoi les conceptions les plus récentes cherchent à le supprimer (LPO) ou à le déplacer plus loin (cohérent). Cette page explique ce que fait la chaîne de traitement du signal et ce que signifie chaque variante pour les hôtes et le diagnostic.

Formats de modulation

Format	Bits par symbole	Exemples de voies	Besoins du récepteur	Pénalité vs NRZ
NRZ (tout ou rien, 2 niveaux)	1	1G, 10G, 25G, 40G (4×10), 100G (4×25)	amplificateur limiteur + CDR	—
PAM4 (4 niveaux)	2	50G, 100G, 200G par voie ; 400G (8×50 ou 4×100), 800G	frontal linéaire, ADC, égaliseur DSP ; RS-FEC obligatoire	≈ 9,5 dB d’ouverture d’œil en moins → nécessite FEC et égalisation
Cohérent (QPSK, 8QAM, 16QAM sur deux polarisations)	4–8 par symbole	100G–800G par longueur d’onde (ZR, ZR+)	laser oscillateur local, hybride 90°, PD équilibrées, ADC 4 canaux + DSP lourd + FEC	énorme avantage d’OSNR sur les longues portées

La qualité du diagramme de l’œil en PAM4 se mesure en TDECQ (transmitter dispersion eye closure quaternary) plutôt que par un simple masque — une valeur dérivée du DSP qui indique l’effort que doit fournir un égaliseur de référence pour récupérer les niveaux. Normes et association avec le FEC : FEC, AN et link training.

Ce que fait le DSP

voies hôte ─► SerDes Rx ─► (resynchronisation) ─► gearbox ─► DAC ─► pilote ─► laser/modulateur
fibre ─► PD/TIA (linéaire) ─► ADC ─► égaliseur CTLE/FFE/DFE ─► décideur ─► (FEC en cohérent) ─► gearbox ─► SerDes Tx ─► hôte

Fonction	Objectif	Remarques
Resynchronisation	horloge propre des deux côtés — le rôle du CDR, absorbé dans le DSP	CDR
Égalisation — CTLE, FFE, DFE, parfois MLSE	compense les limites de bande passante du laser, de la photodiode, de la fibre et des pistes de carte pour que les quatre niveaux redeviennent distincts	adaptative ; converge en quelques ms à l’établissement de la liaison
Gearbox	change le nombre de voies : 8 × 50G PAM4 côté hôte ↔ 4 × 100G PAM4 côté optique (400G DR4/FR4) ; 4 × 25G NRZ ↔ 2 × 50G PAM4 (100G DR)	pourquoi un module 400G a 8 voies électriques et 4 voies optiques
Prédistorsion / mise en forme du pilote	compense la non-linéarité du laser pour que les quatre niveaux soient également espacés	réglée module par module à la production
Surveillance	estimation du BER pré-FEC, SNR, métriques de l’œil — la source du VDM CMIS	VDM et métriques FEC
FEC (cohérent uniquement)	oFEC / CFEC dans le module ; les modules Ethernet laissent le RS-FEC à l’hôte	400ZR : CFEC ; OpenZR+ : oFEC

Coût : un DSP 400G consomme 3–6 W (la moitié du budget du module), ajoute environ 50–100 ns de latence et plusieurs dizaines de dollars. Il fige aussi le module dans les applications pour lesquelles il a été conçu — d’où le modèle d’applications CMIS (CMIS).

Retimed, linéaire, semi-retimed

Architecture	Contenu du module	Puissance (classe 400G)	Exigence côté hôte	Statut
DSP / entièrement retimed	ADC, DSP, DAC dans les deux sens	8–12 W	tout hôte conforme — le module présente une interface propre	400G/800G grand public
LPO — linear pluggable optics	pilote + TIA linéaire uniquement ; pas de DSP, pas de CDR	4–6 W	le SerDes de l’hôte doit égaliser tout le canal, optique comprise ; nécessite un ASIC capable et un réglage par liaison	liaisons courtes IA/HPC ; LPO MSA (2023+)
LRO / HALO — semi-retimed	DSP côté Tx uniquement (hôte→optique)	6–8 W	intermédiaire	compromis émergent
CPO — co-packaged optics	optique sur le boîtier de l’ASIC du commutateur ; pas d’enfichable	le plus faible par bit	nouvelles conceptions de commutateurs	déploiements précoces

Pour le diagnostic, la différence compte : un module LPO n’a pas de DSP pour signaler le BER pré-FEC ou le SNR, si bien que les compteurs FEC de l’hôte sont la seule vue au niveau du bit, et la qualité de la liaison dépend autant des réglages de l’égaliseur de l’hôte que de l’optique.

Modules cohérents en bref

Un QSFP-DD ou OSFP 400ZR/ZR+ contient un laser accordable (nano-ITLA) utilisé à la fois comme source d’émission et comme oscillateur local, un modulateur IQ (quatre sections Mach-Zehnder, photonique sur silicium ou InP) piloté par les DAC du DSP, un récepteur cohérent intégré (hybride 90°, photodiodes équilibrées, TIA) et un DSP qui effectue la compensation de dispersion chromatique, le démultiplexage de polarisation, la récupération de porteuse et le FEC — un ancien transpondeur de carte de ligne tenant en 15–20 W. Leurs mesures (OSNR, CD, DGD, facteur Q, puissance du signal Rx) apparaissent dans le VDM CMIS (Cohérent et longue distance).

Modules NRZ : la chaîne classique

Sur les modules 1G–25G, la chaîne est courte — pilote, laser, photodiode, TIA, amplificateur limiteur, CDR optionnel — et tout y est analogique. La flexibilité de débit vient du contournement du CDR ou de la commutation de bande passante par sélection de débit (Rate select) ; le diagnostic se limite à la puissance Rx et aux compteurs CRC/FEC de l’hôte ; la latence se compte en quelques nanosecondes. Cette simplicité explique pourquoi l’optique 10G et 25G reste bon marché et reste l’essentiel de ce que voient les programmateurs.

Conséquences côté hôte

Sujet	Module NRZ	Module DSP PAM4	LPO
Établissement de la liaison	immédiat	convergence du DSP + initialisation du chemin de données CMIS (centaines de ms à quelques s)	apprentissage de l’égaliseur hôte
FEC	optionnel/hôte	RS-FEC obligatoire (hôte)	RS-FEC obligatoire (hôte)
Éclatement (breakout)	par voie, si l’optique est parallèle	uniquement les applications annoncées	dépend de l’hôte
Classe de puissance	1–3	4–7 (QSFP28 LR4) / CMIS 5–8	CMIS 3–5
Risque d’interopérabilité	faible	réglages DSP hôte/module, version CMIS	élevé — réglage de l’hôte par type de module

Mise en service et pannes : Ce que fait l’hôte, Problèmes CMIS, Vitesse et débit.

Dans CodingBox

L’identité indique quelle chaîne porte un module : codes d’encodage NRZ ou PAM4, bits de CDR, applications CMIS avec leurs identifiants d’interface hôte et média, et la classe de puissance qui trahit un DSP. Pour les modules CMIS, l’écran DDM ajoute la vue propre du DSP — BER pré-FEC et SNR du VDM par voie — à côté des mesures optiques classiques.

Le côté électrique des modules LPO et DSP — points de conformité C2M, OIF CEI-112G-Linear, qui égalise quoi selon la génération : XGMII, XAUI et la famille AUI.

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