NRZ, PAM4 en de DSP: retimers, gearboxes, LPO, coherent

Tot 25G per lane verplaatste een transceiver bits door een laser aan en uit te schakelen en het resultaat met een comparator uit te lezen. Daarboven kon optiek niet goedkoop sneller worden, dus liet de industrie elk symbool meer dragen — PAM4 — en plaatste zij een digitale signaalprocessor in de module om een ruisend signaal met vier niveaus leesbaar te maken. De DSP bepaalt nu vermogen, kosten en latentie van 400G+-modules. Daarom proberen de nieuwste ontwerpen hem weer te verwijderen (LPO) of dieper te plaatsen (coherent). Deze pagina legt uit wat de signaalverwerkingsketen doet en wat elke variant betekent voor hosts en diagnostiek.

Modulatieformaten

Formaat	Bits per symbool	Voorbeelden van lanes	Nodig bij de ontvanger	Penalty tegenover NRZ
NRZ (aan/uit, 2 niveaus)	1	1G, 10G, 25G, 40G (4×10), 100G (4×25)	limiting amplifier + CDR	—
PAM4 (4 niveaus)	2	50G, 100G, 200G per lane; 400G (8×50 of 4×100), 800G	lineaire front-end, ADC, DSP-equalizer; RS-FEC verplicht	≈ 9,5 dB kleinere oogopening → FEC en egalisatie nodig
Coherent (QPSK, 8QAM, 16QAM op twee polarisaties)	4–8 per symbool	100G–800G per golflengte (ZR, ZR+)	lokale-oscillatorlaser, 90°-hybride, gebalanceerde PD's, 4-kanaals ADC + krachtige DSP + FEC	groot OSNR-voordeel over lange afstanden

De PAM4-oogkwaliteit wordt gemeten als TDECQ (transmitter dispersion eye closure quaternary), geen eenvoudig masker: een door DSP afgeleide maat voor hoeveel een referentie-equalizer moet corrigeren om de niveaus te herstellen. Standaarden en FEC-koppeling: FEC, autonegotiatie en linktraining.

Wat de DSP doet

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

Functie	Doel	Opmerkingen
Retiming	klok aan beide kanten opschonen — de taak van de CDR, opgenomen in de DSP	CDR
Egalisatie — CTLE, FFE, DFE, soms MLSE	bandbreedtelimieten van laser, fotodiode, glasvezel en PCB-sporen opheffen zodat vier niveaus weer gescheiden zijn	adaptief; convergeert in ms bij link-up
Gearbox	aantal lanes wijzigen: 8 × 50G PAM4 van de host ↔ 4 × 100G PAM4 naar de optiek (400G DR4/FR4); 4 × 25G NRZ ↔ 2 × 50G PAM4 (100G DR)	verklaart waarom een 400G-module 8 elektrische en 4 optische lanes heeft
Predistorsie / driver shaping	niet-lineariteit van de laser compenseren zodat de vier niveaus gelijkmatig zijn verdeeld	per module afgestemd tijdens productie
Monitoring	schatting van pre-FEC BER, SNR, oogmetingen — de bron van CMIS VDM	VDM & FEC-metrieken
FEC (alleen coherent)	oFEC / CFEC in de module; Ethernet-modules laten RS-FEC aan de host over	400ZR: CFEC; OpenZR+: oFEC

Kosten: een 400G DSP verbruikt 3–6 W (de helft van het modulebudget), voegt ~50–100 ns latentie en tientallen dollars toe. Hij beperkt de module ook tot de toepassingen waarvoor hij is ontworpen, vandaar het CMIS-applicatiemodel (CMIS).

Geretimed, lineair, half-geretimed

Architectuur	Module bevat	Vermogen (400G-klasse)	Vereiste aan de host	Status
DSP / volledig geretimed	ADC, DSP, DAC in beide richtingen	8–12 W	elke conforme host — de module biedt een schone interface	gangbaar bij 400G/800G
LPO — linear pluggable optics	alleen driver + lineaire TIA; geen DSP, geen CDR	4–6 W	host-SerDes moet het volledige kanaal inclusief de optiek egaliseren; vereist een geschikte ASIC en afstemming per link	korte AI/HPC-links; LPO MSA (2023+)
LRO / HALO — half-geretimed	DSP alleen aan de Tx-zijde (host→optiek)	6–8 W	tussenliggend	opkomend compromis
CPO — co-packaged optics	optiek op het switch-ASIC-pakket; niet insteekbaar	laagste per bit	nieuwe switchontwerpen	vroege implementaties

Voor diagnostiek is het verschil relevant: een LPO-module heeft geen DSP die pre-FEC BER of SNR kan rapporteren. De FEC-tellers van de host zijn dus het enige zicht op bitniveau en de linkkwaliteit hangt evenveel af van de equalizerinstellingen van de host als van de optiek.

Coherente modules in het kort

Een 400ZR/ZR+ QSFP-DD of OSFP bevat een afstembare laser (nano-ITLA) die zowel als zenderbron als lokale oscillator dient, een IQ-modulator (vier Mach-Zehnder-secties, siliciumfotonica of InP) aangestuurd door de DAC's van de DSP, een geïntegreerde coherente ontvanger (90°-hybride, gebalanceerde fotodiodes, TIA's) en een DSP die chromatische dispersie compenseert, polarisatie demuxt, carrier recovery en FEC uitvoert — een vroegere transponder op een line card in 15–20 W. Hun monitors (OSNR, CD, DGD, Q-factor, Rx-signaalvermogen) verschijnen in CMIS VDM (Coherente optiek en ontwerp voor lange afstanden).

NRZ-modules: de klassieke keten

Bij 1G–25G-modules is de keten kort — driver, laser, fotodiode, TIA, limiting amplifier, optionele CDR — en alles eraan is analoog. Flexibiliteit in snelheid komt van CDR-bypass of bandbreedteomschakeling met rate select (Selectie van snelheid en toepassing); diagnostiek bestaat uit Rx-vermogen en de CRC/FEC-tellers van de host; de latentie is enkele nanoseconden. Deze eenvoud verklaart waarom 10G- en 25G-optiek goedkoop blijven en nog steeds het grootste deel vormen van wat programmers zien.

Gevolgen aan de hostzijde

Onderwerp	NRZ-module	PAM4 DSP-module	LPO
Link-up	onmiddellijk	DSP-convergentie + initialisatie van CMIS-datapad (honderden ms tot seconden)	training van de host-equalizer
FEC	optioneel/host	RS-FEC verplicht (host)	RS-FEC verplicht (host)
Breakout	per lane, als de optiek parallel is	alleen geadverteerde toepassingen	afhankelijk van de host
Vermogensklasse	1–3	4–7 (QSFP28 LR4) / CMIS 5–8	CMIS 3–5
Interoprisico	laag	DSP-instellingen van host/module, CMIS-versie	hoog — hostafstemming per moduletype

Ingebruikname en storingen: Wat de host doet, CMIS-problemen, Snelheid en rate.

In CodingBox

De identiteit toont welke keten een module heeft: NRZ- tegenover PAM4-coderingscodes, CDR-bits, CMIS-toepassingen met hun host- en media-interface-ID's, en de vermogensklasse die een DSP verraadt. Voor CMIS-modules voegt het scherm DDM de eigen weergave van de DSP toe — VDM pre-FEC BER en SNR per lane — naast de klassieke optische monitors.

De elektrische kant van LPO- en DSP-modules — C2M-conformiteitspunten, OIF CEI-112G-Linear, wie wat per generatie egaliseert: XGMII, XAUI en de AUI-familie.

Vindt u een onjuistheid of fout in dit materiaal? Selecteer het betreffende fragment en druk op Ctrl+Enter om .