Optisen signaalin koodaus- ja dekoodausprosessit määrittelevät kuituoptisten siirtojärjestelmien toiminnalliset rajat. Verkkoliikenteen skaalaukset kohti petabitti-sekuntikapasiteettia, sähköbittien muuntaminen valoksi ja takaisin sanelee globaalin infrastruktuurin taloudellisen ja teknisen elinkelpoisuuden. Insinöörien ja verkkoarkkitehtien kannalta näiden periaatteiden ymmärtäminen on olennaista sellaisten järjestelmien suunnittelussa, jotka maksimoivat tavoittamisen, kapasiteetin ja luotettavuuden.

Koodaus: Bitsin kartoitus Photonic Statesiin

Koodaus on prosessi, jolla digitaalinen sähköinen bittivirta muunnetaan moduloiduksi optiseksi aaltomuodoksi. Valittu koodausjärjestelmä määrittää suoraan tiedontiheyden kaistanleveyden yksikköä kohti eli spektritehokkuudeksi (mitattuna b/s/Hz). Spektritehokkuuden, tehonkulutuksen ja melunsietokyvyn väliset erot ohjaavat modulaatiomuodon valintaa tiettyä sovellusta varten.

Tehon muutos: On-Off Keying ja NRZ

Yksinkertaisin koodausmuoto on On-Off Keying (OOK), jossa binary 1 vastaa korkeaa optista tehotasoa ja binary 0 vastaa matalaa optista tehotasoa. Käytännössä tämä toteutetaan käyttämällä ei-käännös-zoero (NRZ) -linjakoodia, jossa laser pysyy päällä koko bittijakson ajan. OK/NRZ:n etu on transseiver-yksinkertainen. Se vaatii vain suoraan moduloidun laserin tai ulkoisen modulaattorin ja yksinkertaisen valodiodivastaanottimen. Ensisijainen rajoitus on heikko spektrinen tehokkuus, joka rajoittaa tyypillisesti yhden aallonpituutta koskevat tietotasot 10 Gbps:iin tai 25 Gbps:iin ennen kuin dispersion rangaistukset tulevat hallitsemattomiksi.

Monitasokoodaus: pulssin amplitudimodulaatio (PAM4)

Bittinopeuksien lisäämiseksi ilman suhteellista kaistanleveyden kasvua PAM4 koodaa kaksi bittiä kuhunkin välitettyyn symboliin käyttäen neljää erillistä amplituditasoa. Esimerkiksi bitit "00" saattavat kartoittaa alimmalle tehotasolle, kun taas "11" kartat korkeimpaan. PAM4 on IEEE 802,3bs 400 GbE -standardien perusta lyhyille yhteyksille (2-10 km). Tuplaamalla bitit symbolia kohti PAM4 saavuttaa 50 Gbps:n tai 100 Gbps:n kaistaa kohti käyttäen elektronisia laitteita, jotka on suunniteltu 25 GHz:n tai 50 GHz:n signaalin käyttöön. Kuitenkin neljän tason väliset siirtymät ovat lähempänä toisiaan, jolloin signaali on herkempi melulle ja vaatii suurempia optisia signaali-to-ään-mittauksia (OSNR) kuin binary NRZ.

Vaihe ja neliulotteinen säätö (koodaus)

Pitkän matkan ja metroverkkojen koodauksen on käytettävä optisen kantolaitteen vaihetta spektritehokkuuden maksimoimiseksi. Quadrature Phase Shift Keying (QPSK) koodaa kaksi bittiä symbolia kohti siirtämällä optista vaihetta neljän valtion välillä (0°, 90°, 180°, 270°). Siirtyminen 16QAM:iin (Quadrature Amplitude Modulation) koodaa neljä bittiä symbolia kohti yhdistämällä amplitudin ja vaiheen muutokset. Nämä muodot toteutetaan käyttäen Mach-Zehnder modulaattoreita (MZM) pesityssä I/Q modulaattorirakenteessa. Muodonvalinnan jälkeen modulaatiomuoto seuraa perustason kaupan pois päältä: korkeampien tilausten formaatteja (64QAM, 256QAM) pakkaa enemmän bittejä symbolia kohti, mutta vaatii eksponentiaalisesti korkeampia OSNR:iä, rajoitettua lähetysmatkaa.

Kaksipolttoainekoodaus (DP)

Olennainen tekniikka kapasiteetin skaalaukseen on kaksisuuntaisen polarisaation koodaus, joka hyödyntää kahta ortogonaalista polarisaatiota valon tilassa yksitilaisessa kuidut. Itsenäisesti koodaamalla tietoja sekä X ja Y polarisaatiot, spektrinen tehokkuus kaksinkertaistuu ilman lisäoptista kaistanleveyttä. Standard solid-transceivers käyttää DP-QPSK (4 bittiä/symboli) tai DP-16QAM (8 bittiä/symboli). Vastaanotin on tarkasti seurata ja kompensoi satunnaisten polarisaatio pyörii kuitua, tehtävä käsitellään kehittyneen digitaalisen signaalinkäsittelyn (DSP) algoritmeja.

]Cisco/Acacia -optiikan valkoisessa kirjassa esitetään yksityiskohtainen tekninen pohjamaalaus johdonmukaisista modulaatioformaatteja varten.

Dekoodaus: Vastaanottajan käsittelyketju

Dekoodaus on käänteistä koodausta, mutta se on huomattavasti monimutkaisempi siirtymisen aikana syntyneiden fyysisten häiriöiden vuoksi. Vastaanotin on palautettava saapuvan signaalin tarkka vaihe, taajuus, polarisaatio ja ajoitus ennen kuin se muuntaa takaisin sähköisiin bittiin.

Suora osoittaminen vs. johdonmukainen osoittaminen

Suora havaitseminen, käytetään OK ja PAM4, mittaa saapuvan valon hetkellistä tehoa valodiodilla. Tämä lähestymistapa on yksinkertainen, alhainen teho ja edullinen, mutta se hylkää kaikki vaiheen tiedot. Johdonmukainen havaitseminen, tarvitaan vaiheittaisten signaalien, sekoittaa saapuvan signaalin paikallisen oskillaattorin (LO) laserin 90 asteen optisessa hybridissä. Tämä sekoitusprosessi palauttaa täyden sähkökentän signaalin, joka mahdollistaa pääsyn sekä amplitudiin että vaiheiden (I) ja Quadrature (Q) komponenttien vaiheisiin molemmissa polarisaatioissa. Palautetut analogiset signaalit edustavat täydellistä optista kenttää, joka mahdollistaa lineaarisen haitan digitaalisen kompensoinnin.

Analogista digitaalista muuntaminen ja DSP

Integroidun vastaanottimen analogiset signaalit digitoidaan ultranopeilla ADC-laitteilla, jotka toimivat 80-200 GSa/s:n ja 200 GSa/s:n välillä. Digitoidut näytteet syöttävät erityisen DSP ASIC:n, joka suorittaa seuraavat ydintoiminnot:

  • Kromaattinen Dispersion Compensation (CDC):[] Bulk taajuus-domain suodatin kääntää kertyneen kromaattinen dispersio kuitu, joka voi sivellä pulssit tuhansien bittijaksojen aikana.
  • Polarisointi Demultipleksintä:[ Adaptiivinen aika-domin tasapainottajat (käyttäen algoritmeja kuten vakio Modulus-algoritmia tai päätöksenohjattua LMS:ää) erottavat X ja Y polarisaatio-sivujoet ja kompensoivat Polarization Mode Dispersion (PMD).
  • Koneen Recovery:[ Vaihe- ja taajuusestimointisilmukka poistaa lähetin- ja LO-lasereiden taajuusoffsetin ja vaihemelun. Algoritmit kuten Viterbi-Viterbi-faasin estimaattori ovat QPSK-signaalien standardi.
  • Symbolien havaitseminen ja dekoodaus:[] Käsitellyt symbolit on kartoitettu takaisin bittiin ja käytetään FEC-koodausta.

Eteenpäin -virhekorjaus (FEC)

FEC on olennainen osa koodaus-/dekoodausprosessia. Lähettimessä lisätään strukturoitu katkos datavirtaan. Vastaanottimessa FEC-dekooderin avulla voidaan tunnistaa ja korjata melun ja vääristymän aiheuttamat bittivirheet. Nykyaikaiset optiset verkot käyttävät tehokkaita soft-dekoodeja (SD-FEC). SD-FEC käyttää monibittisiä luotettavuusmittareita (log-lifety-suhteet) ADC:stä, mikä mahdollistaa merkittävän koodausvoiton (tyypillisesti 10-12 dB) verrattuna vanhempiin kovan päätöksen koodeihin. OIF 400ZR-standardissa määritellään erityinen avoin FEC (oFEC) perustuu porraskoodiin, joka mahdollistaa yhteentoimivan virhekorjauksen eri toimittajien transsetoreihin.

Koodausjärjestelmän valinta vaikuttaa suoraan järjestelmän linkin budjettiin. Insinöörien on laskettava käytettävissä oleva OSNR verrattuna vaadittuun OSNR tiettyyn modulaatiomuotoon tavoite ennen FEC-bittivirheasteella (BER).

OSNR- ja Reach-laskelmat

Korkeampien järjestysten modulointimuodot (esim. DP-64QAM) vaativat korkeampaa OSNR-arvoa tietyn BER-muodon saavuttamiseksi verrattuna pienempiin muotoihin (esim. DP-QPSK). Optiset vahvistimet (EKRA) lisäävät melua (ASE), joka hajottaa OSNR-arvoa etäältä.

  • DP-QPSK:[ ~12 dB OSNR vaaditaan. Tavoittavuus on tyypillisesti useita tuhansia kilometrejä sukellusvenejärjestelmissä.
  • DP-16QAM:[ ~18 dB OSNR vaaditaan. Tavoittavuus on tyypillisesti useita satoja kilometrejä metro- ja kaukoliikenteen.
  • PAM4 (suora havainto): Matala OSNR-toleranssi verrattuna johdonmukaisiin muotoihin pitkillä matkoilla, mutta erittäin tehokas lyhyen matkan (< 10 km) tehon ja latenssin vuoksi.

Yhteentoimivuusstandardit

Yhteentoimivuuden valvonta on standardien laitoksilla, jotka määrittelevät erityiset koodaus-, dekoodaus- ja FEC-parametrit.

  • IEEE 802,3bs (400GbE):[ Määrittää PAM4-koodauksen lyhyitä liityntäyhteyksiä (SR8, DR4, FR8) ja pitkän matkan optisia rajapintoja varten.
  • OIF 400ZR:[ Määrittelee johdonmukaisen DP-QPSK/DP-16QAM:n toteutuksen DCI:lle (80-120 km). Siinä määritellään modulaatiomuoto, DSP-toiminnot ja FoFEC moniportaisen yhteentoimivuuden varmistamiseksi.
  • ITU-T G.709: Määrittelee optisen liikenneverkon kartoituksen ja FEC-standardit (esim. G.975.1) kaukolähetystä varten.

Tämänhetkisissä liitäntävoimalla olevaa johdonmukaista optiikkaa koskevissa eritelmissä lopullinen viite on OIF 400ZR:n täytäntöönpanosopimus.

Fotoninen integraatio ja tulevaisuuden ohjeet

Näiden kehittyneiden koodaus- ja dekoodausprosessien toteuttaminen perustuu fotonisiin integrointitekniikoihin. Pii-photonics (SiPh) ja Indium Fosphide (InP) -alustojen avulla voidaan integroida muuntimia, fotodiodeja ja aallonpituusmonitoimilaitteita kompaktiksi, tehotehokkaaksi moduuliksi. Seuraava sukupolvi on nousemassa 800 Gbps:iin ja 1.6 Tbps:iin aallonpituusttä kohti.

800G ja 1.6T Evolution

Näiden verokantojen saavuttamiseksi toimialalla on useita rinnakkaisia reittejä:

  • Korkeammat Baud hinnat: Symbolinopeuden nostaminen ~60-90 GBaud:sta 200+ GBaud:iin vaatii nopeampaa elektroniikkaa ja fotoniikkaa.
  • Tarkennettu modulointi:[] Aika-alue hybridi QAM ja probabilistinen konstellaation Shaping (PCS) mukauttaa koodausmuotoa tarkasti kanavaolosuhteisiin maksimoiden läpimenon linkki-linkillä.
  • Co-packaged Optics (CPO): Optisen moottorin integrointi suoraan kytkimeen ASIC vähentää virrankulutusta ja sähköhäviöitä erittäin suurilla käyttöliittymien nopeuksilla (1.6T+).
  • Machine Learning for DSP:[] Neuroverkkoja tutkitaan epälineaarisen korvauksen ja optimoidun dekoodaus, mahdollisesti avaamalla korkeampi suorituskyky kuin perinteiset DSP-algoritmit.

Päätelmät

Optisen signaalin koodaus- ja dekoodaustekniikat kehittyvät nopeasti vastaamaan kaistanleveyden kyltymätöntä kysyntää. OHOTin yksinkertaisuudesta DP-256QAM:n ja SD-FEC:n monimutkaisuuteen, koodausjärjestelmän valinta määrittelee kuituoptisen järjestelmän perussuorituskyvyn. Insinöörien on hallittava modulaatiomuodon, DSP:n monimutkaisuuden ja järjestelmän väliset kompromissit suunnittelutehokkaisiin, suuren kapasiteetin verkkoihin. Optisen koodauksen ja dekoodauksen periaatteet ovat edelleen keskeinen älyllinen perusta tulevaisuuden fotonisen verkottumisen kannalta.