광 신호 인코딩 및 디코딩 프로세스의 원리 이해

광 신호 인코딩 및 디코딩 프로세스는 광섬유 전송 시스템의 운영 한계를 정의합니다. 네트워크 트래픽 규모로 petabit-per-second 용량, 전기 비트를 빛으로 변환하는 효율성 및 다시 글로벌 인프라의 경제 및 기술적 가용성을 예측합니다. 엔지니어 및 네트워크 건축가를 위해 이러한 원칙을 이해하는 것은 도달, 용량 및 신뢰성을 극대화하는 설계 시스템에 필수적입니다.

인코딩: Photonic 미국에 비트를 매핑

인코딩은 디지털 전기 비트 스트림을 변조 광학 파형으로 변환하는 과정입니다. 선택된 인코딩 계획은 직접 스펙트럼 효율 (b / s / Hz에서 측정)로 알려진 대역폭 단위 당 정보 밀도를 결정합니다. 스펙트럼 효율, 전력 소비 및 소음 면제 사이의 거래 오프 특정 응용 프로그램에 대한 modulation 형식의 선택을 안내합니다.

강렬 조음: 온오프 열쇠 및 NRZ

간단한 인코딩 형식은 On-Off Keying (OOK), 이진 1은 높은 광학 파워 레벨에 대응하고 이진 0은 낮은 광학 파워 레벨에 대응합니다. 실제로, 이것은 비-Return-to-Zero (NRZ) 라인 코드를 사용하여 구현되며 레이저가 전체 비트 기간 동안 남아 있습니다. OOK/NRZ의 장점은 트랜시버 단순성입니다. 그것은 직접 수정 된 레이저 또는 외부 변조기 및 일반 데이터 제한이 없으므로 일반적으로 단일 옵티컬 범위가 제한되지 않습니다. 일반적으로 단일 옵티컬 범위는 25Gbps의 단일 Gbps의 단일 Gbps의 단일 Gbps의 단일 Gbps의 단일 Gbps의 단일 Gbps의 단일 Mbps의 단일 Mbps의 범위가 될 수 있습니다.

다중 레벨 인코딩: 펄스 진폭 변조 (PAM4)

PAM4 인코딩은 대역폭을 비례적으로 증가하지 않고 비트율을 증가시키기 위해 4 개의 명백한 진폭 레벨을 사용하여 각 전송 된 기호에 두 비트를 매깁니다. 예를 들어 비트 "00"은 가장 높은지도를 가진 반면 "11"지도를 가장 높일 수 있습니다. PAM4는 IEEE 802.3bs 400 GbE 표준의 기초가 짧은 도달 링크 (2-10km). 기호 당 비트를 투수함으로써, PAM4는 50 Gbps 또는 100 Gbps를 달성하거나 전자 신호에 비해 50 Gbps의 신호를 필요로합니다. 그러나 더 높은 신호 수준에 비해 더 높은 신호 수준은 25 GHz의 신호를 사용하여 신호가 더 높은 신호 수준에 비해 더 높은 신호 수준입니다.

단계 및 Quadrature 변조 (Coherent Encoding)

캘리포니아는 캘리포니아의 핵심 요소인 캘리포니아의 핵심 요소인 캘리포니아의 핵심 요소인 캘리포니아의 핵심 요소인 캘리브니아의 핵심 요소인 캘리브니아의 핵심 요소인 캘리브니아의 캘리브니아의 캘리브니아의 캘리브니아의 캘리브니아의 캘리브니아의 캘리브니아의 캘리브니아의 캘리브니아의 캘리브니아의 캘리브니아의 캘리브니아의 캘리브니아의 캘리니아의 캘리브니아의 캘리브니아의 캘리니아의 캘리니아의 캘리니아의 캘리브니아의 캘리브니아의 캘리니아의 캘리브리아의 캘리브니아의 캘리브니아의 비아의 캘리브니아의 캘리브니아의 캘리브니아의 캘리브니아의 캘리브리아의 캘리브리아의 캘리브리아의 캘리브리아의

듀얼-폴라멘트 (DP) 인코딩

용량 스케일링에 필수적인 기술은 이중 편광 인코딩이며, 단일 모드 섬유의 두 가지 정각 편광 상태를 악화시키는 것입니다. X 및 Y 편광에 대한 독립적으로 인코딩 데이터로, 스펙트럼 효율은 추가 광학 대역폭을 필요로하지 않고 두 배로 두 배로 늘립니다. 표준 일관성 트랜시버는 DP-QPSK (4 bits/symbol) 또는 DP-16QAM (8 bits/symbol)을 사용합니다. 수신기는 정확하게 디지털 방식으로 처리되는 디지털 방식으로 처리에 대한 알고리즘을 추적하고 계산해야 합니다.

일관성형 변조 형식에 대한 상세한 기술 뇌관의 경우, Cisco/Acacia coherent Optics white paper은 I/Q 변조 및 이중 분극 구조의 심층적인 설명이 있습니다.

Decoding: 수신기 처리 사슬

디코딩은 인코딩의 역방향이지만, 변속 중에 도입 된 물리적 임계로 인해 훨씬 복잡합니다. 수신기는 전기 비트로 변환하기 전에 수신 신호의 정확한 단계, 주파수, 편광 및 타이밍을 복구해야합니다.

직접 탐지 대. Coherent 탐지

쿡과 PAM4과 함께 사용하는 직접 감지는 광다이어드를 사용하여 들어오는 빛의 즉일 전력을 측정합니다. 이 접근법은 단순하고 저전력이며, 저렴하지만 모든 단계 정보를 덮습니다. 지속적인 감지, 단계별 신호에 필요한, 90도 광 하이브리드의 로컬 진동자 (LO) 레이저와 들어오는 신호를 혼합합니다. 이 믹싱 과정은 신호의 전체 전기 필드를 복구하고, 신호의 전체 전기 필드를 회복하고, 두 단계의 광학적 신호에 대한 액세스를 제공합니다 (광극).

아날로그-to-Digital 변환 및 DSP

일관성 수신기의 아날로그 신호는 80 GSa / s에서 200 GSa / s로 작동하는 초고속 ADCs에 의해 자리 잡았습니다. 디지털 샘플은 다음과 같은 핵심 기능을 수행하는 전용 DSP ASIC을 공급합니다.

Chromatic 분산 보상 (CDC): 대량 주파수 대역 필터는 수천 비트 기간 동안 맥박을 낼 수 있는 섬유의 축적된 색 분산을 전환합니다.
Polarization Demultiplexing: Adaptive time-domain equalizers (일정한 Modulus Algorithm 또는 Decision-Directed LMS와 같은 알고리즘을 사용) X와 Y 편광판을 분리하고 Polarization Mode Dispersion(PMD)에 대한 보상.
카리서치:] 단계와 주파수 추정 루프는 송신기와 LO 레이저의 주파수 오프셋 및 위상 소음을 제거합니다. Viterbi-Viterbi 단계 추정기와 같은 알고리즘은 QPSK 신호를 위해 표준입니다.
Symbol Detection and Decoding: 처리된 기호는 비트로 다시 맵핑되며, 앞으로의 오류 수정(FEC) 디코딩이 적용됩니다.

앞으로 오류 수정 (FEC) 해독

독립 단기 치료소는 인코딩 / 디코딩 프로세스의 필수적인 부분입니다. 송신기에서 구조화 된 중복은 데이터 스트림에 추가됩니다. 수신기에서, FEC 디코더는 소음 및 왜곡에 의해 도입 된이 중복을 식별하고 수정하는 데 사용됩니다. 현대 광학 네트워크는 강력한 연화 독립 단기 치료소 (SD-FEC) 코드를 사용합니다. SD-FEC는 ADC에서 다중 비트 신뢰성 메트릭 (log-likelihood ratios)를 사용하여, 중요한 RN (F)를 기반으로하는 표준 코드 (F)를 정의 할 수 있습니다. 400-FEC는 표준을 기반으로하는 표준을 정의합니다.

시스템 설계, 링크 예산 및 표준

인코딩 구성의 선택은 직접 시스템 링크 예산에 영향을줍니다. 엔지니어는 대상 pre-FEC 비트 오류율 (BER)에서 주어진 modulation 형식에 필요한 OSNR을 계산해야합니다.

OSNR 및 도달 계산

고순도 변조 형식 (예 : DP-64QAM)은 낮은 주문 형식 (예 : DP-QPSK)과 비교하여 주어진 BER를 달성하기 위해 더 높은 OSNR을 요구합니다. 광 증폭기 (EDFA)는 거리에서 OSNR을 degrades (ASE)를 추가합니다. 따라서, 원근법 효율성과 전송 범위 사이의 직접 거래가 있습니다.

DP-QPSK: ~12 dB OSNR 필요. 도달은 일반적으로 하위 마린 시스템에서 수천 킬로미터입니다.
DP-16QAM: ~18dB OSNR 필요. 도달은 일반적으로 지하철과 긴 운반을 위해 100 킬로미터입니다.
PAM4 (Direct Detect): 저 OSNR 허용 오차는 장거리에 일관성있는 형식과 비교하지만, 낮은 전력 및 대기 시간 때문에 짧은 도달 (<10 km)에 매우 효율적입니다.

상호 운용성 기준

상호 운용성은 특정 인코딩, 디코딩, 독립 매개 변수를 정의하는 표준 기관에 의해 시행됩니다.

IEEE 802.3bs (400GbE): 짧은 도달 (SR8, DR4, FR8) 및 긴 도달 (LR8) 광학 인터페이스를 위한 PAM4 인코딩을 디펜스합니다.
OIF 400ZR: DCI(80-120km)에 대한 일관성 있는 DP-QPSK/DP-16QAM 구현을 구성합니다. 이 수정 형식, DSP 기능 및 OFEC를 지정하여 멀티벤더 상호 운용성을 보장합니다.
ITU-T G.709:] 광역 네트워크 (OTN) 매핑 및 독립 단기 표준을 방어 (예를들면 G.975.1) 긴 운반 전송.

플러그 가능 코헤이너런 광학에 대한 현재 사양의 경우, OIF 400ZR 구현 계약은 정의 참조입니다.

Photonic 통합 및 미래 방향

이 고급 인코딩 및 디코딩 프로세스의 구현은 광합성 통합 기술에 의존합니다. 실리콘 Photonics (SiPh) 및 인듐 인피드 (Inp) 플랫폼은 변조기, 포토다이드 및 파장 다중화기의 통합을 소형, 전력 효율적인 모듈로 허용합니다. 광학 인터페이스의 차세대는 파장 당 800Gbps 및 1.6 Tbps로 밀어줍니다.

800G와 1.6T 진화

이러한 비율을 달성하기 위해, 산업은 여러 병렬 트랙을 추구하고 있습니다 :

Higher Baud Rate: ~60-90 GBaud에서 200+ GBaud로의 심볼률을 증가시켜 고속 전자 및 광을 필요로 합니다.
Advanced Modulation: Time-domain Hybrid QAM 및 Probabilistic Constellation Shaping (PCS)은 링크로 연결 기반을 극대화하는 정확한 채널 조건에 인코딩 형식을 적용한다.
Co-Packaged Optics (CPO): 스위치 ASIC에 직접 광 엔진을 통합하여 전력 소비와 전기 손실을 매우 높은 인터페이스 속도 (1.6T+)로 줄일 수 있습니다.
]DFP를 위한 기계 학습:] 신경 네트워크는 비선형 보상과 최적화된 디코딩을 위해 탐구되고, 잠재적으로 전통적인 DSP 알고리즘보다 높은 성능을 잠금 해제합니다.