NRZ, PAM4 e il DSP: retimer, gearbox, LPO, coerente

Fino a 25G per lane un ricetrasmettitore spostava i bit accendendo e spegnendo un laser e leggendo il risultato con un comparatore. Oltre questo limite l’ottica non riusciva ad andare più veloce a basso costo, così il settore ha fatto sì che ogni simbolo portasse più informazione — PAM4 — e ha inserito un processore di segnale digitale nel modulo per rendere leggibile una forma d’onda rumorosa a quattro livelli. Oggi il DSP domina potenza, costo e latenza dei moduli 400G e oltre, ed è per questo che i progetti più recenti cercano di eliminarlo di nuovo (LPO) o di spostarlo più in profondità (coerente). Questa pagina spiega cosa fa la catena di elaborazione del segnale e cosa comporta ogni variante per host e diagnostica.

Formati di modulazione

Formato	Bit per simbolo	Esempi di lane	Esigenze del ricevitore	Penalità rispetto a NRZ
NRZ (on/off, 2 livelli)	1	1G, 10G, 25G, 40G (4×10), 100G (4×25)	amplificatore limitatore + CDR	—
PAM4 (4 livelli)	2	50G, 100G, 200G per lane; 400G (8×50 o 4×100), 800G	front end lineare, ADC, equalizzatore DSP; RS-FEC obbligatorio	≈ 9,5 dB di apertura dell’occhio in meno → richiede FEC ed equalizzazione
Coerente (QPSK, 8QAM, 16QAM su due polarizzazioni)	4–8 per simbolo	100G–800G per lunghezza d’onda (ZR, ZR+)	laser a oscillatore locale, ibrido a 90°, PD bilanciati, ADC a 4 canali + DSP pesante + FEC	grande vantaggio di OSNR sulle tratte lunghe

La qualità dell’occhio in PAM4 si misura come TDECQ (chiusura quaternaria dell’occhio da dispersione del trasmettitore) anziché con una semplice maschera — una cifra derivata dal DSP che indica quanto deve lavorare un equalizzatore di riferimento per recuperare i livelli. Standard e abbinamento con il FEC: FEC, AN e training del collegamento.

Cosa fa il DSP

lane host ─► SerDes Rx ─► (retiming) ─► gearbox ─► DAC ─► driver ─► laser/modulatore
fibra ─► PD/TIA (lineare) ─► ADC ─► equalizzatore CTLE/FFE/DFE ─► slicer ─► (FEC nel coerente) ─► gearbox ─► SerDes Tx ─► host

Funzione	Scopo	Note
Retiming	un clock pulito su entrambi i lati — il compito del CDR, assorbito nel DSP	CDR
Equalizzazione — CTLE, FFE, DFE, a volte MLSE	annulla i limiti di larghezza di banda di laser, fotodiodo, fibra e piste del PCB così che i quattro livelli tornino a separarsi	adattiva; converge in ms all’attivazione del collegamento
Gearbox	cambia il numero di lane: 8 × 50G PAM4 dall’host ↔ 4 × 100G PAM4 verso l’ottica (400G DR4/FR4); 4 × 25G NRZ ↔ 2 × 50G PAM4 (100G DR)	perché un modulo 400G ha 8 lane elettriche e 4 ottiche
Pre-distorsione / sagomatura del driver	compensa la non linearità del laser in modo che i quattro livelli siano equidistanti	regolato per modulo in produzione
Monitoraggio	stima del BER pre-FEC, SNR, metriche dell’occhio — la fonte del VDM CMIS	Metriche VDM e FEC
FEC (solo coerente)	oFEC / CFEC dentro il modulo; i moduli Ethernet lasciano il RS-FEC all’host	400ZR: CFEC; OpenZR+: oFEC

Costo: un DSP a 400G assorbe 3–6 W (metà del budget del modulo), aggiunge ~50–100 ns di latenza e decine di dollari. Vincola inoltre il modulo alle applicazioni per cui è stato progettato — da qui il modello di applicazioni di CMIS (CMIS).

Retimed, lineare, half-retimed

Architettura	Il modulo contiene	Potenza (classe 400G)	Requisito dell’host	Stato
DSP / completamente retimed	ADC, DSP, DAC in entrambe le direzioni	8–12 W	qualsiasi host conforme — il modulo presenta un’interfaccia pulita	diffuso su 400G/800G
LPO — ottica pluggable lineare	solo driver + TIA lineare; niente DSP, niente CDR	4–6 W	il SerDes host deve equalizzare l’intero canale, ottica inclusa; richiede un ASIC capace e una taratura per collegamento	collegamenti brevi AI/HPC; LPO MSA (dal 2023)
LRO / HALO — half-retimed	DSP solo sul lato Tx (host→ottica)	6–8 W	intermedio	compromesso emergente
CPO — ottica co-packaged	ottica nel package dell’ASIC dello switch; nessun pluggable	la più bassa per bit	nuovi design di switch	implementazioni iniziali

Per la diagnostica la differenza conta: un modulo LPO non ha un DSP che riporti BER o SNR pre-FEC, quindi i contatori FEC dell’host sono l’unica vista a livello di bit, e la qualità del collegamento dipende dalle impostazioni dell’equalizzatore dell’host tanto quanto dall’ottica.

Moduli coerenti in breve

Un QSFP-DD o OSFP 400ZR/ZR+ contiene un laser sintonizzabile (nano-ITLA) usato sia come sorgente del trasmettitore sia come oscillatore locale, un modulatore IQ (quattro sezioni Mach-Zehnder, fotonica al silicio o InP) pilotato dai DAC del DSP, un ricevitore coerente integrato (ibrido a 90°, fotodiodi bilanciati, TIA) e un DSP che esegue compensazione della dispersione cromatica, demultiplazione di polarizzazione, recupero della portante e FEC — un transponder un tempo da scheda di linea, ora in 15–20 W. I loro monitor (OSNR, CD, DGD, fattore Q, potenza del segnale Rx) compaiono nel VDM di CMIS (Coerente e a lunga distanza).

Moduli NRZ: la catena classica

Nei moduli 1G–25G la catena è breve — driver, laser, fotodiodo, TIA, amplificatore limitatore, CDR opzionale — ed è interamente analogica. La flessibilità di velocità viene dal bypass del CDR o dalla commutazione di banda a selezione del rate (Selezione del rate); la diagnostica è la potenza Rx e i contatori CRC/FEC dell’host; la latenza è di pochi nanosecondi. Questa semplicità è il motivo per cui l’ottica 10G e 25G resta economica e per cui costituisce ancora la maggior parte di ciò che vedono i programmatori.

Conseguenze lato host

Argomento	Modulo NRZ	Modulo DSP PAM4	LPO
Attivazione del collegamento	immediata	convergenza del DSP + inizializzazione del data path CMIS (da centinaia di ms a secondi)	training dell’equalizzatore host
FEC	opzionale/host	RS-FEC obbligatorio (host)	RS-FEC obbligatorio (host)
Breakout	per lane, se l’ottica è parallela	solo le applicazioni annunciate	dipende dall’host
Classe di potenza	1–3	4–7 (QSFP28 LR4) / CMIS 5–8	CMIS 3–5
Rischio di interoperabilità	basso	impostazioni del DSP host/modulo, versione CMIS	alto — taratura dell’host per tipo di modulo

Avvio e guasti: Cosa fa l’host, Problemi CMIS, Velocità e rate.

In CodingBox

L’identità indica quale catena ha un modulo: codici di codifica NRZ o PAM4, bit del CDR, applicazioni CMIS con i relativi ID di interfaccia host e media, e la classe di potenza che tradisce un DSP. Per i moduli CMIS la schermata DDM aggiunge la vista propria del DSP — BER e SNR pre-FEC del VDM per lane — accanto ai classici monitor ottici.

Il lato elettrico dei moduli LPO e DSP — punti di conformità C2M, OIF CEI-112G-Linear, chi equalizza cosa per generazione: XGMII, XAUI e la famiglia AUI.

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