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FEC使PAM4成为可能 DSP处理实现112G

  力科(Teledyne LeCroy)公司的David Maliniak在2016年写了一篇很好的文章,解释了PAM4的基本原理。我们需要更多的数据,而且希望更快,Maliniak说道。在即将来临的5G时代,NRZ编码对于我们来说还不够快,而NRZ型编码也不能满足这些需求。

  我的同事Martin Rowe评论说,NRZ已死,而根据DesignCon 2018会议上一个专题为“闭眼场景”的讨论小组的专家观点,NRZ仍有用武之地。当然,在56GHz和短距离铜链路上,NRZ(称为PAM2)仍然合适并且有用。但在其他场合,特别是在56Gbps和112Gbps,PAM4的四电平脉冲幅度调制将具有绝对优势!

  其他讨论小组成员也有评论,比如前向纠错(FEC)将使PAM4成为可能,DSP处理将会实现112Gbps等。本文稍后会讨论这个问题。

  有时我们会忘记,电缆和连接器可能是高速通道中最薄弱的环节。Samtec和Credo两家公司今年在OFC 2018(美国光纤通讯展览会及研讨会)上展出了一个采用Samtec Flyover系统的演示。他们采用Credo的时钟和数据恢复(CDR)芯片,设置了两个112Gbps PAM4数据端口。信号通过射频跳线传送到Samtec的FQSFP-DD连接器的信号完整性(SI)表征卡。然后,信号再通过12英寸的Samtec超低偏斜双轴电缆,到达Samtec加速高速电缆组件SI表征卡。

  信号通路最终通过第二组RF跳线到第二个Credo CDR,最后我们在GUI上看到通道输出,它显示112Gbps PAM4数据以31位的伪随机序列运行,误码率为2e-7(可以去Samtec网站上观看视频)。

  人们对带宽(BW)的需求一直以令人眩目的速度增长,IC、系统和光纤行业正试图达到一种新的信号传输速率,以满足对带宽的需求。IEEE 802.3正在为100GBASE-DR1开发100G信令,而400GBASE-DR4和OIF PLL工作组也开始了CEI-112G-PAM4-VSR的相关工作。MACOM公司早已预见到了这种趋势,并且已经在实验室中研究这种技术一年多了。

  对于数据中心内的通信,特别是在112Gbps的速率下,光分组交换提供了一种高效节能的方式。业界已经使用PAM4和PAM8进行预失真分析,并查看了三种光接收器。使用PAM8及一个半导体光放大器(SOA)-PIN和62.5GHz栅格,单级系统可连接48台服务器。若使用两级配置,可连接的服务器数量激增到1488个。可连接的服务器数量受两个参数的限制:

  (2)波长信道的数量,它可以针对所用激光器的调谐频带、调谐机制的分辨率以及信道频谱占用率来解决。

  内部DC互连网络占数据中心总功耗的23%;大多数网络使用电分组交换机(EPS),它们通过光学连接,速度高达10Gbps。但是,现在可以实现40至100+Gbps的比特率。性能/成本比在这里很重要;目前的系统多使用4×25Gbps,或10×10Gbps等并行链路,有的甚至采用基于强度调制和直接检测(IM-DD)的多电平格式。

  我很高兴地看到,使用低功耗模拟(电路或分组级)光交换降低了功率消耗,而数字(比特级)光交换则成了“数字白痴”。另外,光交换应该有助于降低由DC连接内部引入的延迟。

  图1:在POPI架构中,机架1和2中的服务器共享所有的波长(红色/绿色)。机架r的服务器使用不同的波长。

  特别是在城域网(MAN)应用中,业界目前在研究依赖于可对波长快速调谐的激光器的技术,如时隙波长交织网(TWIN)。这类技术正受到设计工程师的重视,因为与其他方案相比,它们可以降低功耗和缩短延迟时间,这对服务器系统是至关重要的。将互连比特率提高到112Gbps,可以实现快速的服务器迁移,并且可以根据可用的电力和工作负载来关闭一些服务器。

  Inphi公司在2015年面向云互连开发出了首款千兆以太网PAM4 IC芯片。由于100G数据中心到目前为止是采用四根25Gbps光纤/波长,这种100GHz光学PAM4调制方案通过在相同波特率下将比特/符号数加倍,可减少光纤数量。采用PAM4编码、实时DSP和前向纠错(FEC)技术,可以将复杂功能转换到CMOS中。与目前使用的NRZ解决方案相比,这种方法可以以更低的成本提高带宽。

  该测试显示在1310nm波长下、在长达40km距离内可实现无误差传输,且在KP4 FEC阈值下具有极佳的裕量。该解决方案可实现CFP4和QSFP28等小尺寸模块,与现有设计相比,可实现小得多的尺寸和更高的性能。

  上世纪90年代后期,我曾是Burr-Brown公司的北电(Nortel)客户经理/应用工程师,看到了北电开发的业界第一款相干光转发器以40Gbps的速度运行。那时电信行业对于40G还没有做好准备,因为电信运营商认为,地下已经铺设太多“暗”光纤,他们希望在投资更快的系统之前先将这些数据管道填补好。

  在过去10年左右,开发人员用正交幅度调制(QAM)尝试了各种不同的波特率。最近的研究工作主要集中在带DSP处理的相干QAM系统,以便在更高比特率下达到更长的传输距离。

  作为维纳滤波器的一个子集,沃尔泰拉均衡器滤波器擅长于半导体激光二极管失真、单模滤波器的传递函数和多模干涉耦合器内的非线性传播等的建模。在沃尔泰拉系统中使用的最小均方(LMS)算法是一种随机最陡下降算法,其中真实梯度向量通过直接从输入和输出信号获得的估计值来近似,而且非常简单。但是,当自相关矩阵特征值具有很大的散布范围时,收敛慢是不可避免的。使用离散傅立叶变换(DFT)或格拉姆-施密特(Gram-Schmidt)正交化可获得更好的正交性。

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