ऑप्टिकल सिग्नल एन्कोडिंग और डिकोडिंग प्रक्रियाएं फाइबर ऑप्टिक ट्रांसमिशन सिस्टम की परिचालन सीमाओं को परिभाषित करती हैं। चूंकि नेटवर्क ट्रैफिक स्केल पेप्टी-प्रति सेकंड की क्षमता की ओर, विद्युत बिट्स को प्रकाश में परिवर्तित करने की क्षमता और फिर से वैश्विक बुनियादी ढांचे की आर्थिक और तकनीकी व्यवहार्यता को निर्धारित करती है। इंजीनियरों और नेटवर्क आर्किटेक्ट्स के लिए, इन सिद्धांतों को समझने के लिए सिस्टम को डिजाइन करने के लिए आवश्यक है जो पहुंच, क्षमता और विश्वसनीयता को अधिकतम करते हैं।

एन्कोडिंग: फोटोनिक्स राज्यों में मैपिंग बिट्स

एन्कोडिंग एक डिजिटल विद्युत बिटस्ट्रीम को एक संशोधित ऑप्टिकल वेवफॉर्म में ट्रांसलेट करने की प्रक्रिया है। चयनित एन्कोडिंग योजना सीधे बैंडविड्थ की प्रति यूनिट सूचना घनत्व को निर्धारित करती है, जिसे वर्णक्रमीय दक्षता (बी / एस / हर्ट्ज में मापा जाता है) के रूप में जाना जाता है। वर्णक्रमीय दक्षता, बिजली की खपत और शोर प्रतिरक्षा के बीच व्यापार-बंद एक विशिष्ट अनुप्रयोग के लिए एक मॉड्यूलेशन प्रारूप का चयन करने का मार्गदर्शन करता है।

तीव्रता मॉडुलन: ऑन-ऑफ कीइंग और NRZ

सरल एन्कोडिंग प्रारूप ऑन-ऑफ कीइंग (OOK) है, जहां एक द्विआधारी 1 एक उच्च ऑप्टिकल पावर स्तर से मेल खाती है और एक द्विआधारी 0 कम ऑप्टिकल पावर स्तर से मेल खाती है। व्यवहार में, यह एक गैर-रिटर्न-टू-ज़ेरो (NRZ) लाइन कोड का उपयोग करके कार्यान्वित किया जाता है, जहां लेजर पूरी बिट अवधि के लिए रहता है। OOK / NRZ का लाभ सरलता से पारगमन है। इसके लिए केवल एक सीधे संशोधित लेजर या एक बाहरी मॉड्यूलेटर और एक साधारण फोटोडायोड रिसीवर की आवश्यकता होती है। प्राथमिक सीमा खराब वर्णक्रमीय दक्षता है, आम तौर पर सिंगल-तरंग डेटा दर को 10 जीबीपीएस या 25 जीबीपीएस तक सीमित करने से पहले फैलाव को सीमित करता है।

बहु स्तरीय एन्कोडिंग: पल्स आयाम मॉड्यूलेशन (PAM4)

बिना अनुपात में बढाने वाली बैंडविड्थ के बिट दरों को बढ़ाने के लिए, PAM4 ने चार अलग-अलग आयाम स्तरों का उपयोग करके प्रत्येक संचरित प्रतीक में दो बिट्स का मानचित्रण किया। उदाहरण के लिए, बिट्स "00" सबसे कम बिजली स्तर तक पहुंच सकता है, जबकि "11" उच्चतम तक के नक्शे। PAM4 IEEE 802.3bs 400 GbE मानकों की नींव है, जो लघु पहुंच लिंक (2-10 किमी) के लिए है। प्रति प्रतीक बिट्स को दोगुना करके, PAM4 50 Gbps या 100 Gbps प्रति लेन को 25 GHz या 50 GHz संकेतन के लिए डिज़ाइन किए गए इलेक्ट्रॉनिक्स का उपयोग करके प्राप्त करता है। हालांकि, चार स्तरों के बीच संक्रमण करीब एक साथ हैं, जिससे द्विआनुकीर संकेत अधिक संवेदनशील होता है और उच्च-साथ उच्च-साथ उच्च-साथ की आवश्यकता होती है।

चरण और चौडाई मॉड्यूलेशन (समग्र एन्कोडिंग)

लंबे समय तक और मेट्रो नेटवर्क के लिए, एन्कोडिंग को वर्णक्रमीय दक्षता को अधिकतम करने के लिए ऑप्टिकल वाहक के चरण का उपयोग करना चाहिए। चौगुना चरण शिफ्ट कीइंग (QPSK) में चार राज्यों (0°, 90 °, 180 °, 270°) के बीच ऑप्टिकल चरण को स्थानांतरित करके प्रति प्रतीक दो बिट्स को शामिल किया गया है। 16QAM (Quadrature Amplitude Modulation) में चल रहा है, जिसमें आयाम और चरण परिवर्तन के संयोजन के अनुसार चार बिट्स प्रति प्रतीक हैं। ये प्रारूपों को एक नेस्टेड I / Q मॉड्यूलेटर संरचना में Mach-Zhnder modulators (MZMs) का उपयोग करके कार्यान्वित किया जाता है।

दोहरी-ध्रुवीकरण (डीपी) एन्कोडिंग

क्षमता स्केलिंग के लिए एक आवश्यक तकनीक दोहरी ध्रुवीकरण एन्कोडिंग है, जो एकल मोड फाइबर में प्रकाश के दो वर्तनीय ध्रुवीकरण राज्यों का शोषण करती है। स्वतंत्र रूप से X और Y ध्रुवीकरण दोनों पर डेटा एन्कोडिंग करके, अतिरिक्त ऑप्टिकल बैंडविड्थ की आवश्यकता के बिना वर्णक्रमीय दक्षता दोगुनी हो जाती है। मानक सुसंगत ट्रांसीवर DP-QPSK (4 बिट / symbol) या DP-16QAM (8 बिट्स / symbol) का उपयोग करते हैं। रिसीवर को फाइबर में यादृच्छिक ध्रुवीकरण रोटेशन के लिए ठीक से ट्रैक और क्षतिपूर्ति करनी चाहिए, उन्नत डिजिटल सिग्नल प्रोसेसिंग (डीएसपी) एल्गोरिदम द्वारा नियंत्रित एक कार्य।

सुसंगत मॉडुलन प्रारूपों पर एक विस्तृत तकनीकी प्राइमर के लिए, Cisco/Acacia coherent प्रकाशिकी श्वेत पत्र I/Q मॉड्यूलेशन और दोहरी ध्रुवीकरण वास्तुकला का गहन स्पष्टीकरण प्रदान करता है।

डिकोडिंग: रिसीवर प्रोसेसिंग चेन

डिकोडिंग एन्कोडिंग की उलटा है, लेकिन यह संचरण के दौरान पेश किए गए भौतिक हानि के कारण काफी जटिल है। रिसीवर को विद्युत बिट्स में परिवर्तित करने से पहले आने वाले संकेत के सटीक चरण, आवृत्ति, ध्रुवीकरण और समय को ठीक करना चाहिए।

प्रत्यक्ष जांच बनाम सुसंगत जांच

प्रत्यक्ष पता लगाना, OOK और PAM4 के साथ प्रयोग किया जाता है, एक photodiode का उपयोग कर आने वाली रोशनी की तात्कालिक शक्ति को मापता है। यह दृष्टिकोण सरल, कम शक्ति और सस्ती है, लेकिन यह सभी चरण की जानकारी को त्याग देता है। सुसंगत पहचान, चरणबद्ध संकेतों के लिए आवश्यक है, एक 90 डिग्री ऑप्टिकल हाइब्रिड में स्थानीय दोलन (LO) लेजर के साथ आने वाले संकेत को मिलाती है। यह मिश्रण प्रक्रिया संकेत के पूर्ण विद्युत क्षेत्र को ठीक करती है, जिससे दोनों ध्रुवीकरणों पर इन-चरण (I) और क्वाड्रिएचर (Q) घटकों के आयाम और चरण दोनों तक पहुंच प्रदान की जा सकती है।

एनालॉग-टू-डिजिटल रूपांतरण और डीएसपी

सुसंगत रिसीवर के एनालॉग संकेतों को 80 जीएसए / एस से 200 जीएसए / एस तक काम करने वाले अल्ट्रा हाई स्पीड एडीसी द्वारा अंकित किया जाता है। अंकित नमूने एक समर्पित डीएसपी एएसआईसी को खिलाते हैं जो निम्नलिखित कोर कार्य करता है:

  • ]क्रोमैटिक डिस्प्रेसन कम्पेंसेशन (CDC): एक थोक आवृत्ति-डोमेन फ़िल्टर फाइबर के संचित क्रोमेटिक फैलाव को उलट देता है, जो हजारों बिट अवधियों पर दालों को धब्बा कर सकता है।
  • Polarization Demultiplexing: अनुकूली समय-domain तुल्यकारकों (Constant Modulus Algorithm या निर्णय निर्देशित LMS जैसे एल्गोरिदम का उपयोग) X और Y ध्रुवीकरण श्रद्धांजलिओं को अलग करते हैं और ध्रुवीकरण मोड फैलाव (PMD) की क्षतिपूर्ति करते हैं।
  • Carrier Recovery: चरण और आवृत्ति अनुमान लूप ट्रांसमीटर और लो लेजर की आवृत्ति ऑफसेट और चरण शोर को हटा देते हैं। जैसे कि विटेरबी-विटेरबी चरण अनुमानक QPSK संकेतों के लिए मानक हैं।
  • ]Symbol डिटेक्शन और डिकोडिंग: संसाधित प्रतीकों को बिट्स में वापस मैप किया जाता है, और फॉरवर्ड त्रुटि सुधार (FEC) डिकोडिंग लागू की जाती है।

फॉरवर्ड त्रुटि सुधार (एफईसी) डिकोडिंग

FEC एन्कोडिंग / डिकोडिंग प्रक्रिया का एक अभिन्न हिस्सा है। ट्रांसमीटर में, संरचित अतिरेक डेटा स्ट्रीम में जोड़ा जाता है। रिसीवर पर, FEC डिकोडर इस अतिरेक का उपयोग शोर और विरूपण द्वारा शुरू की गई बिट त्रुटियों को पहचानने और सही करने के लिए करता है। आधुनिक ऑप्टिकल नेटवर्क शक्तिशाली सॉफ्ट-डिसिक्शन FEC (SD-FEC) कोड का उपयोग करते हैं। SD-FEC बहु-बिट विश्वसनीयता मीट्रिक (log-likelihood अनुपात) का उपयोग करता है, जो पुराने हार्ड-डिसिक्शन कोड की तुलना में महत्वपूर्ण कोडिंग लाभ (आम तौर पर 10-12 डीबी) प्रदान करता है। OIF 400ZR मानक एक विशिष्ट ओपन FECO के अंतर-C

सिस्टम डिजाइन, लिंक बजट और मानक

एक एन्कोडिंग योजना का चयन सीधे सिस्टम लिंक बजट को प्रभावित करता है। इंजीनियर्स को एक लक्ष्य प्री-एफईसी बिट त्रुटि दर (बीईआर) पर दिए गए मॉड्यूलेशन प्रारूप के लिए आवश्यक OSNR बनाम उपलब्ध OSNR की गणना करनी चाहिए।

OSNR और पहुंच गणना

उच्च-आदेश मॉडुलन प्रारूप (जैसे, DP-64QAM) को निम्न-आदेश प्रारूपों (जैसे, DP-QPSK) की तुलना में दिए गए BER को प्राप्त करने के लिए उच्च OSNR की आवश्यकता होती है। ऑप्टिकल एम्पलीफायर (EDFAs) शोर (ASE) जोड़ते हैं, जो दूरी पर OSNR को अवगत कराते हैं। इसलिए, वर्णक्रमीय दक्षता और संचरण पहुंच के बीच एक सीधा व्यापार बंद है।

  • DP-QPSK:~12 डीबी OSNR की आवश्यकता होती है। पहुंच आम तौर पर पनडुब्बी प्रणालियों में कई हजार किलोमीटर है।
  • DP-16QAM:] ~ 18 डीबी OSNR की आवश्यकता है। मेट्रो और लंबे समय तक पहुंचने के लिए आम तौर पर कई सौ किलोमीटर दूर है।
  • PAM4 (Direct डिटेक्ट): कम OSNR सहिष्णुता लंबी दूरी पर सुसंगत प्रारूपों की तुलना में, लेकिन कम शक्ति और विलंबता के कारण शॉर्ट-रीच (<10 किमी) के लिए अत्यधिक कुशल।

अंतर-संचालन के लिए मानक

अंतर-संचालन मानकों के अनुसार लागू होता है जो विशिष्ट एन्कोडिंग, डिकोडिंग और एफईसी मापदंडों को परिभाषित करता है।

  • IEEE 802.3bs (400GbE): लघु पहुंच (SR8, DR4, FR8) और लंबी पहुंच (LR8) ऑप्टिकल इंटरफेस के लिए PAM4 एन्कोडिंग को परिभाषित करता है।
  • OIF 400ZR:DCI (80-120 किमी) के लिए एक सुसंगत DP-QPSK/DP-16QAM कार्यान्वयन को परिभाषित करता है। यह बहु-vendor अंतर-operability सुनिश्चित करने के लिए मॉड्यूलेशन प्रारूप, डीएसपी कार्यों और oFEC को निर्दिष्ट करता है।
  • ITU-T G.709: ऑप्टिकल ट्रांसपोर्ट नेटवर्क (OTN) मैपिंग और FEC मानकों (जैसे, G.975.1) को लंबे समय तक प्रसारण के लिए परिभाषित करता है।

प्लग करने योग्य सुसंगत प्रकाशिकी पर वर्तमान विनिर्देशों के लिए, OIF 400ZR कार्यान्वयन समझौता] निश्चित संदर्भ है।

फोटोनिक एकीकरण और भविष्य निर्देशन

इन उन्नत एन्कोडिंग और डिकोडिंग प्रक्रियाओं का कार्यान्वयन फोटोनिक एकीकरण प्रौद्योगिकियों पर निर्भर करता है। सिलिकॉन फोटोनिक्स (SiPh) और इंडिअम फॉस्फाइड (InP) प्लेटफॉर्म न्यूनाधिक, फोटोडायोड और तरंगदैर्ध्य मल्टीप्लेक्सर्स के एकीकरण को कॉम्पैक्ट, पावर-कुशल मॉड्यूल में अनुमति देते हैं। ऑप्टिकल इंटरफेस की अगली पीढ़ी 800 जीबीपीएस और 1.6 टीबीपीएस प्रति तरंगदैर्ध्य की ओर धकेल रही है।

800G और 1.6T विकास

इन दरों को प्राप्त करने के लिए, उद्योग कई समानांतर ट्रैक्स का पीछा कर रहा है:

  • ]उच्च बाउड दरें: 200+ GBaud के लिए ~60-90 GBaud से 200+ GBaud तक के प्रतीक दर को बढ़ाने के लिए उच्च गति वाले इलेक्ट्रॉनिक्स और फोटोनिक्स की आवश्यकता होती है।
  • ]Advanced मॉड्यूलेशन: समय-घरेलू हाइब्रिड QAM और Probabilistic Constellation Shaping (PCS) सटीक चैनल की स्थिति के लिए एन्कोडिंग प्रारूप को अनुकूलित करते हैं, जो लिंक-by-link के आधार पर थ्रूपुट को अधिकतम करते हैं।
  • ]Co-Packaged ऑप्टिक्स (CPO): स्विच ASIC के साथ सीधे ऑप्टिकल इंजन को एकीकृत करने के लिए बिजली की खपत और बिजली के नुकसान को कम करने के लिए बहुत उच्च इंटरफ़ेस गति (1.6T +)।
  • DSP के लिए मशीन लर्निंग: तंत्रिका नेटवर्क को गैर-रेखीय मुआवजा और अनुकूलित डिकोडिंग के लिए खोजा जा रहा है, जिससे पारंपरिक डीएसपी एल्गोरिदम की तुलना में उच्च प्रदर्शन को अनलॉक किया जा रहा है।

निष्कर्ष

ऑप्टिकल सिग्नल एन्कोडिंग और डिकोडिंग प्रौद्योगिकियों को बैंडविड्थ के लिए असंतोष मांग को पूरा करने के लिए तेजी से विकसित किया गया है। एसडी-एफईसी के साथ आकार वाले DP-256QAM की सादगी से, एन्कोडिंग योजना की पसंद फाइबर ऑप्टिक सिस्टम के बुनियादी प्रदर्शन को परिभाषित करती है। इंजीनियर्स को मॉडुलन प्रारूप, डीएसपी जटिलता और सिस्टम के बीच व्यापार-बंद में माहिर होना चाहिए, कुशल, उच्च क्षमता वाले नेटवर्क को डिजाइन करने के लिए पहुंचना चाहिए। ऑप्टिकल एन्कोडिंग और डिकोडिंग के सिद्धांत फोटोनिक नेटवर्क के भविष्य के लिए मुख्य बौद्धिक नींव बने रहे हैं।