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400G AOC产品的核心技术—PAM4和DSP

为了满足快速增长的数据中心流量需求,灵活、低成本的400Gbit/s速率传输方案被相继提出,并作为下一代数据中心互联应用的备选方案。为了支持400Gbit/s的速率传输,使用PAM调制的4通道x100Gbit/s传输方式可以降低收发机的设计复杂度和能量功耗。值得注意的是,相对于基于外部调制的马赫-曾德调制器(MZM),使用电吸收光调制器(EML)、直接调制激光器(DML)的内调制方案成本较低,设计也更为简单。但是对于这些方面有两方面的瓶颈限制了系统的性能:光电设备的调制带宽限制和调制、解调过程中的非线性损伤问题。许多数字信号处理(DSP)方法被提出用以解决这两种限制,例如判决反馈均衡、非线性沃尔泰拉均衡等,这些方案在接收端都需要很高的计算复杂度。

PAM4调制技术

由于400G技术的要求,需要应用单通道56G或112G速率要求,但是56G/112G信号的通道损耗和反射引入代价太大,同时对通道串扰的容忍性极大降低,目前的NRZ技术很难突破单路56G传输速率。因此业界引入了PAM4技术进行解决。

PAM4是PAM(Pulse Amplitude Modulation,脉冲幅度调制)调制技术的一种。调制方式包括基于DSP的数字DAC实现方法和基于模拟的Combine方法。主流的模拟方式可通过两路NRZ信号进行相加操作,数字方式则是基于高速DAC的方式进行0/1/2/3电平的快速输出。

如图所示,PAM4通过四电平幅度调制,每个电平值可以承载2bit信息,代价是对噪声更为敏感。如果我们观察NRZ信号的眼图,假设比特周期为T,幅度为A,那么信道带宽为比特周期的倒数(1/T)。比特率越高,比特周期越小,信号带宽越大。通常也会有信噪比(SNR)要求,这与信号幅度相关。从纵向看,眼图张开的幅度越小,那么从接收端以固定的信噪比分辨出原始信号就更加困难。

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PAM4原理示意图

还有什么办法可以成倍提高比特率呢?其中一种方法是将两路比特流串行化。用一路56Gbit/s信道代替两路28Gbit/s。于是在原来28Gbit/s速率的周期内,现在速率达到56Gbit/s。从信号ML的眼图可以看出,其幅度依然是A,但是周期变为T/2。如果将比特周期取倒数,得到信号带宽2/T。A不变,即信噪比不变,但信号带宽加倍。

我们需要一种在不增加带宽的前提下成倍提高比特率的方案,这是PAM4的优势所在。PAM4的眼图不同寻常,从纵向看有3只张开的眼睛和4个幅度,符号周期为T。但是每个眼睛的张开幅度为A/3,相应的带宽要求为1/T。这样我们得到56Gbit/s信号,与28Gbit/s的单路信号M或L带宽相同,但是信噪比与A/3相关,因此PAM4存在信噪比与信号带宽的权衡。许多串行链路是带宽受限的,因此很难通过缩短比特周期来提高28Gbit/s。但当有信噪比承受空间时,牺牲一部分信噪比代价换取速率成倍提高的PAM4方案会是很好的选择。

DSP技术

400G AOC里面非常重要的一部分是对信号恢复电路的设计。过去信号恢复采用CDR(时钟与数据恢复)电路。在电-光转换接口,高速串行信号经过高损耗电路板导致信号质量严重下降,通过PAM4 CDR对信号进行恢复,从而得到低抖动的时钟和数据。在电-光转换接口,由于电光调制器的插入损耗以及光纤传输损耗等,光电探测器接收到的有损信号同样需要CDR进行数据恢复。

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基于PAM4调制的DSP方案

然而在性能上CDR对于整个电路的提升远不及DSP。DSP就是高速数字处理芯片,除了提供CDR能提供的数字时钟恢复功能之外,还可以对AOC产品进行色散补偿操作,去除噪声、非线性等干扰因素。受限于光模块的封装体积,400G AOC的平行路数不会很多,再加上电光器件带宽局限,人们必须要提高单波速率。对于单波100G以上的应用来说,目前的发送端电驱动芯片与光器件都达不到50GHz以上的带宽,因此在发送端相当于引入了低通滤波器,在时域上的表现就是码间干扰。

以单波100G PAM4的应用为例,带宽不足的调制器件会让其信号的眼图眼宽变得很小,基于过去模拟PLL的时钟恢复无法找到最佳采样点而使得接收机无法恢复出正确的信号。而引入DSP之后,可以在发送端直接对信号进行频谱压缩,而接收端在通过自适应的FIR滤波器对信号进行恢复,用这种方法可以把调制/接收器件中不可控的模拟带宽影响变成已知的数字频谱压缩,降低对光器件带宽的需求。

总的来说,相比于CDR电路,使用DSP方案的400G产品在功耗和成本上偏高,但是其处理信号的能力更加优异,主要表现为电口适配能力强,光电性能好等。

小结

以上便是400G AOC产品的核心技术——PAM4和DSP技术。PAM4技术克服了56G速率下传统NRZ调制的疲软能力,在不增加带宽的情况下将比特率速率翻倍;但是PAM4牺牲了信噪比,使得400G AOC产品对噪声更加敏感,DSP芯片的引入正好弥补了PAM4技术相应的劣势。

当然PAM4技术的引入给400G产品的测试带来了极大的挑战(详细内容可查看“如何对400G光模块进行一致性测试?”),BER和TDECQ成了PAM4系统的关键参数。而另一个问题在于模块与设备电口的对接需要设备端和模块端共同调节,不同设备由于内部走线、连接器等环境不同,对应的调节参数也不同。所有的PAM4产品都处于大规模应用的前夕,基本上都会存在兼容性问题;而DSP方案由于其功耗和成本问题令工作者颇为踌躇。相信在研究人员的努力下,随着新材料的应用,400G AOC产品将会有一个更适合的技术方案。

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易飞扬400G AOC的电眼图

凭借传统优势的VCSEL工艺平台,易飞扬(Gigalight)在AOC有源光缆的研发上一直走在行业前沿位置,并于去年深圳光博会上展出了基于PAM4调制的400G AOC样品。若想了解更多关于易飞扬的光模块产品,可访问我们的官网:www.gigalight.com/cn

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