NRZ, PAM4 i DSP: retimery, gearboxy, LPO, koherent

Do 25G na linię transceiver przenosił bity, włączając i wyłączając laser, a wynik odczytywał komparator. Powyżej tej wartości optyka nie mogła już tanio przyspieszać, więc branża zaczęła kodować w symbolu więcej informacji — PAM4 — i umieściła w module cyfrowy procesor sygnałowy, który sprawia, że zaszumiony czterostanowy przebieg staje się czytelny. DSP dominuje dziś pobór mocy, koszt i opóźnienie modułów 400G+, dlatego najnowsze konstrukcje próbują go usunąć (LPO) albo przenieść głębiej (rozwiązania koherentne). Ta strona wyjaśnia, co robi łańcuch przetwarzania sygnału i co każdy wariant oznacza dla hostów i diagnostyki.

Formaty modulacji

Format	Bity na symbol	Przykładowe linie	Wymagania odbiornika	Strata względem NRZ
NRZ (włącz/wyłącz, 2 poziomy)	1	1G, 10G, 25G, 40G (4×10), 100G (4×25)	wzmacniacz ograniczający + CDR	—
PAM4 (4 poziomy)	2	50G, 100G, 200G na linię; 400G (8×50 lub 4×100), 800G	liniowy front-end, ADC, korektor DSP; RS-FEC obowiązkowy	≈ 9,5 dB mniejsze otwarcie oka → wymaga FEC i korekcji
Koherentna (QPSK, 8QAM, 16QAM na dwóch polaryzacjach)	4–8 na symbol	100G–800G na długość fali (ZR, ZR+)	laser lokalnego oscylatora, hybryda 90°, zrównoważone PD, 4-kanałowy ADC + intensywny DSP + FEC	ogromna przewaga OSNR na długich odcinkach

Jakość oka PAM4 mierzy się jako TDECQ (transmitter dispersion eye closure quaternary), a nie prostą maską — to wskaźnik wyznaczany przez DSP, mówiący, ile musi pracować referencyjny korektor, aby odzyskać poziomy. Normy i powiązanie z FEC: FEC, AN i trenowanie łącza.

Co robi DSP

linie hosta ─► SerDes Rx ─► (resynchronizacja) ─► gearbox ─► DAC ─► sterownik ─► laser/modulator
światłowód ─► PD/TIA (liniowy) ─► ADC ─► korektor CTLE/FFE/DFE ─► układ decyzyjny ─► (FEC w wersji koherentnej) ─► gearbox ─► SerDes Tx ─► host

Funkcja	Cel	Uwagi
Resynchronizacja	czysty zegar po obu stronach — zadanie CDR, wchłonięte przez DSP	CDR
Korekcja — CTLE, FFE, DFE, czasem MLSE	znosi ograniczenia pasma lasera, fotodiody, światłowodu i ścieżek PCB, aby cztery poziomy znów się rozdzieliły	adaptacyjna; zbiega w ciągu ms przy starcie łącza
Gearbox	zmienia liczbę linii: 8 × 50G PAM4 od hosta ↔ 4 × 100G PAM4 do optyki (400G DR4/FR4); 4 × 25G NRZ ↔ 2 × 50G PAM4 (100G DR)	dlatego moduł 400G ma 8 linii elektrycznych i 4 optyczne
Predystorsja / kształtowanie sterownika	kompensuje nieliniowość lasera, aby cztery poziomy były równomiernie rozłożone	dostrajane dla każdego modułu przy produkcji
Monitorowanie	szacowanie BER przed FEC, SNR, metryki oka — źródło VDM w CMIS	VDM i metryki FEC
FEC (tylko koherentne)	oFEC / CFEC wewnątrz modułu; moduły Ethernet zostawiają RS-FEC hostowi	400ZR: CFEC; OpenZR+: oFEC

Koszt: DSP 400G pobiera 3–6 W (połowa budżetu modułu), dodaje ~50–100 ns opóźnienia i kilkadziesiąt dolarów kosztu. Wiąże też moduł z aplikacjami, do których został zaprojektowany — stąd model aplikacji CMIS (CMIS).

Retimed, liniowy, częściowo retimed

Architektura	Zawartość modułu	Moc (klasa 400G)	Wymaganie wobec hosta	Status
DSP / w pełni retimed	ADC, DSP, DAC w obu kierunkach	8–12 W	dowolny zgodny host — moduł prezentuje czysty interfejs	standard w 400G/800G
LPO — linear pluggable optics	tylko sterownik + liniowy TIA; bez DSP, bez CDR	4–6 W	SerDes hosta musi skorygować cały kanał łącznie z optyką; wymaga zdolnego ASIC i strojenia dla każdego łącza	krótkie łącza AI/HPC; LPO MSA (2023+)
LRO / HALO — częściowo retimed	DSP tylko po stronie Tx (host→optyka)	6–8 W	pośrednie	powstający kompromis
CPO — co-packaged optics	optyka w obudowie ASIC przełącznika; brak wersji wpinanej	najniższa w przeliczeniu na bit	nowe konstrukcje przełączników	wczesne wdrożenia

Dla diagnostyki ta różnica ma znaczenie: moduł LPO nie ma DSP, który zgłosiłby BER przed FEC albo SNR, więc liczniki FEC hosta są jedynym wglądem na poziomie bitów, a jakość łącza zależy od ustawień korektora hosta w takim samym stopniu jak od optyki.

Moduły koherentne w skrócie

400ZR/ZR+ w obudowie QSFP-DD albo OSFP zawiera laser przestrajalny (nano-ITLA), używany zarówno jako źródło nadajnika, jak i lokalny oscylator, modulator IQ (cztery sekcje Mach-Zehndera, fotonika krzemowa albo InP) sterowany przetwornikami DAC DSP, zintegrowany odbiornik koherentny (hybryda 90°, zrównoważone fotodiody, TIA) oraz DSP, który wykonuje kompensację dyspersji chromatycznej, demultipleksację polaryzacji, odzyskiwanie nośnej i FEC — dawny transponder karty liniowej zamknięty w 15–20 W. Jego monitory (OSNR, CD, DGD, współczynnik Q, moc sygnału Rx) pojawiają się w VDM CMIS (Koherencja i dalekie odległości).

Moduły NRZ: klasyczny łańcuch

W modułach 1G–25G łańcuch jest krótki — sterownik, laser, fotodioda, TIA, wzmacniacz ograniczający, opcjonalny CDR — i wszystko w nim jest analogowe. Elastyczność szybkości transmisji zapewnia obejście CDR albo przełączanie pasma przez wybór szybkości (Wybór szybkości); diagnostyka to moc Rx i liczniki CRC/FEC hosta; opóźnienie liczy się w pojedynczych nanosekundach. Ta prostota sprawia, że optyka 10G i 25G pozostaje tania i wciąż stanowi większość tego, co widzą programatory.

Konsekwencje po stronie hosta

Temat	Moduł NRZ	Moduł DSP PAM4	LPO
Start łącza	natychmiastowy	zbieganie DSP + inicjalizacja ścieżki danych CMIS (setki ms do kilku s)	trenowanie korektora hosta
FEC	opcjonalny/host	RS-FEC obowiązkowy (host)	RS-FEC obowiązkowy (host)
Breakout	według linii, jeśli optyka jest równoległa	tylko zgłoszone aplikacje	zależny od hosta
Klasa mocy	1–3	4–7 (QSFP28 LR4) / CMIS 5–8	CMIS 3–5
Ryzyko interoperacyjności	niskie	ustawienia DSP hosta/modułu, wersja CMIS	wysokie — strojenie hosta dla każdego typu modułu

Uruchomienie i awarie: Co robi host, Problemy z CMIS, Szybkość i przepływność.

W CodingBox

Dane identyfikacyjne pokazują, jaki łańcuch ma dany moduł: kody kodowania NRZ i PAM4, bity CDR, aplikacje CMIS z identyfikatorami interfejsu hosta i medium oraz klasa mocy, która zdradza obecność DSP. Dla modułów CMIS ekran DDM dodaje własny widok DSP — BER przed FEC i SNR z VDM dla każdej linii — obok klasycznych monitorów optycznych.

Elektryczna strona modułów LPO i DSP — punkty zgodności C2M, OIF CEI-112G-Linear, kto koryguje co w zależności od generacji: XGMII, XAUI i rodzina AUI.

Jeśli znajdziesz nieścisłość lub błąd w tym materiale, zaznacz odpowiedni fragment i naciśnij Ctrl+Enter, aby .