Влияние формации сигнальной модуляции на выбор оптического приемника

Влияние формации сигнальной модуляции на выбор оптического приемника

Оптические системы связи стали основой глобального транспорта данных, перевозя все от интернет-трафика до данных высокочастотной торговли. В основе этих систем лежит критическое проектное решение: выбор формата модуляции сигнала. Этот выбор не существует изолированно; он напрямую диктует архитектуру, сложность, стоимость и производительность оптического приемника. Формат модуляции определяет, как информация кодируется на носителе света, что в свою очередь задает требования к методам обнаружения, электронной полосе пропускания, шумопотоку и цифровым ресурсам обработки сигналов (DSP). По мере масштабирования скорости передачи данных от 100 Гбит/с до 800 Гбит/с и далее понимание взаимодействия форматов модуляции и дизайна приемника стало необходимым для системных инженеров и сетевых архитекторов.

Фундаментальные модули в оптических коммуникациях

Форматы модуляции можно в широком смысле классифицировать по тому, как они кодируют данные по амплитуде, фазе или обоим оптическим сигналам. Правильный выбор зависит от желаемого компромисса между спектральной эффективностью (биты в секунду на Герц), требованиями отношения оптического сигнала к шуму (OSNR), толерантностью к нарушениям волокон и сложностью приемника.

On-Off Keying (OOK)

OOK - самый простой формат оптической модуляции, представляющий логический “1” с присутствующим светом и логическим “0” со светом, отсутствующим. Он широко используется в устаревших системах и короткодоступных межсоединениях. OOK требует только непосредственно модулированного лазера (DML) или внешнего модулятора Mach-Zehnder, смещенного в квадратуре, наряду с фотодиодом для прямого обнаружения. В то время как простой и недорогой OOK предлагает ограниченную спектральную эффективность (~0,8 б/с/Гц) и плохую толерантность к хроматической дисперсии и шуму при более высоких скоростях передачи данных. Следовательно, приемники для OOK просты: фотодиод, усилитель трансимпеданса (TIA) и схема восстановления часов и данных (CDR).

Дифференциальная фазовая кейлинговая передача (DPSK)

DPSK кодирует данные в разнице фаз между последовательными символами. A “0” передается, когда нет изменения фазы, и a “1”, когда фаза изменяется на π (или наоборот). DPSK предлагает улучшение чувствительности приемника на 3 дБ по сравнению с OOK с той же частотой ошибок бита, потому что решение основано на разнице фаз, а не на абсолютной амплитуде. DPSK-приемники используют интерферометр линии задержки (DLI) для преобразования информации фазы в амплитуду изменений, за которыми следует сбалансированное фотообнаружение. Сбалансированный детектор отменяет шум общего режима и увеличивает динамический диапазон. DPSK более устойчив к нелинейным эффектам, но требует более высокой OSNR для заданной скорости бита по сравнению с более эффективными форматами.

Кейлинг смены квадратурных фаз (QPSK) и многослойный QPSK с разделением на поляризационные (PDM-QPSK)

QPSK кодирует два бита на символ, используя четыре фазовых состояния (0°, 90°, 180°, 270°). Сам по себе QPSK достигает спектральной эффективности 2 б/с/Гц. Настоящий прорыв пришел с мультиплексированием с разделением на поляризацию (PDM), где два независимых сигнала QPSK передаются в ортогональных поляризованных состояниях. PDM-QPSK достигает 4 б/с/Гц и стал фактическим стандартом для систем дальнего следования 100 Гбит/с. Однако QPSK (и особенно PDM-QPSK) требует когерентного обнаружения: локальный осциллятор (LO) лазер, оптический гибрид 90°, четыре сбалансированных фотоприемника и высокоскоростные аналоговые-цифровые преобразователи (ADC) с интенсивным DSP. Приемник должен восстанавливать как внутрифазные (I) и квадратурные (Q) компоненты каждой поляризации, что делает его значительно более сложным, чем приемники прямого обнаружения.

Амплитудная модуляция квадратуры (QAM)

QAM кодирует данные как по амплитуде, так и по фазе. 16-QAM передает 4 бита на символ (2 бита в каждом из I и Q), в то время как 64-QAM передает 6 бит на символ, предлагая спектральную эффективность 4 б/с/Гц и 6 б/с/Гц для одной поляризации, соответственно. С PDM эти числа удваиваются до 8 б/с/Гц и 12 б/с/Гц. QAM более высокого порядка достигает более высокой спектральной эффективности, но требует более высокой ОСНР и предъявляет строгие требования к линейности приемника, разрешению ADC и сложности DSP. Например, 64-QAM требует эффективного количества битов (ENOB) по меньшей мере 5-6 битов в ADC, тогда как QPSK может работать с 3-4 битами. Приемники для когерентного QAM также должны бороться с восстановлением фазы несущей, которая более чувствительна к ширине лазерной линии и проскальзыванию цикла.

Сравнение форм модуляции

В следующей таблице (концептуальной) кратко излагаются ключевые компромиссы между общими форматами:

Как выбор модуляции приводит к архитектуре приемника

Архитектура приемника может быть разделена на два широких семейства: прямое обнаружение и когерентное обнаружение. Формат модуляции определяет, какое семейство является возможным, и в рамках этого, конкретные требуемые подкомпоненты.

Прямые приемники обнаружения

Прямые приемники обнаружения являются самыми простыми и дешевыми. Они состоят из фотодиода (PIN или лавинообразного фотодиода, APD), который преобразует падающую оптическую мощность непосредственно в фототок. Этот подход хорошо работает для форматов, модулируемых интенсивностью, таких как OOK, и также может использоваться для DPSK в паре с интерферометром. Цепь приемника обычно включает TIA, ограничивающий усилитель и CDR. Поскольку прямое обнаружение отбрасывает фазовую информацию, оно не может восстановить полное электрическое поле сигнала. Это ограничивает способность компенсировать линейные нарушения, такие как хроматическая дисперсия и поляризация-режим дисперсии (PMD) после обнаружения. По этой причине системы прямого обнаружения обычно используются в коротких (например, межсоединения центра обработки данных) или унаследованные ссылки, где штрафы за дисперсию управляемы.

Выбор фотодетектора в прямом обнаружении

PIN-фотодиоды предлагают низкую стоимость, высокую линейность и широкую полосу пропускания, но ограниченную чувствительность. APD обеспечивают внутренний прирост (умножение), который улучшает чувствительность на 5-10 дБ за счет более высокого шума (избыточный шумовой коэффициент) и более низкую полосу пропускания. Для 100 Гбит/с OOK часто используются APD для расширения охвата. Для 400 Гбит/с PAM4 (формат многоуровневой интенсивности) линейность становится критической и предпочтительны PIN-коды с высокой чувствительностью TIA.

Когерентные приемники обнаружения

Когерентное обнаружение восстанавливает полное электрическое поле оптического сигнала — амплитуду, фазу и поляризацию — путем смешивания входящего сигнала с локальным осциллятором лазера. Это позволяет использовать форматы фазовой и амплитудной модуляции (QPSK, QAM и т. д.) и позволяет цифровую компенсацию нарушений волокон. Когерентный приемник состоит из нескольких ключевых строительных блоков:

DSP-функции, управляемые форматом модуляции

Формат модуляции диктует сложность DSP. Для QPSK DSP может использовать простые фазовые петли, направленные на принятие решения, для восстановления несущей. Для 16-QAM требуются более надежные слепые алгоритмы, такие как алгоритм постоянного модуля (CMA) для демультиплексирования поляризации и восстановления фазы созвездия. Для 64-QAM фазовое восстановление должно обрабатывать амплитудно-зависимый фазовый шум (нелинейный фазовый шум) и часто включает двухступенчатое восстановление несущей (грубый + тонкий). QAM более высокого порядка также требует более высокого разрешения в ADC, потому что области принятия решений меньше; плохой ENOB непосредственно увеличивает частоту ошибок бита.

Производительность Trade-Offs и дизайн соображения

Выбор правильного сочетания формата модуляции и архитектуры приемника требует балансировки нескольких конкурирующих факторов:

Чувствительность vs сложность

Переход от OOK к DPSK повышает чувствительность на 3 дБ за счет интерферометра задержки и сбалансированного обнаружения. Переход от DPSK к QPSK (когерентный) может повысить чувствительность еще на 3-5 дБ, но добавляет огромную сложность (LO, гибридный, четыре несбалансированных фотоприемника, ADC, DSP). Для QAM высокого порядка каждый дополнительный бит на символ стоит примерно на 3 дБ больше, чем требуется OSNR, требуя более дорогих оптических усилителей и приемников.

Спектральная эффективность против толерантности OSNR

Спектральная эффективность является ключевым показателем для систем мультиплексирования с разделением длины волны (WDM). PDM-64QAM может упаковывать 12 б/с/Гц, но требует OSNR почти 20 дБ (для накладных расходов на 6% FEC) по сравнению с ~12 дБ для PDM-QPSK. Операторы системы должны взвешивать стоимость более высокопроизводительных усилителей и более надежных FEC в зависимости от большей емкости на канал.

Потребление энергии

Когерентные приемники и поддерживающие их DSP потребляют значительную мощность. Когерентный подключаемый модуль 400G (например, CFP2-DCO) может потреблять 12-20 Вт, при этом DSP составляет 60-70%. Разрешение ADC и частота выборки являются основными факторами; QAM более высокого порядка требует более высокой ENOB и, следовательно, большей площади и мощности кремния. В межсоединениях центров обработки данных, где бюджеты мощности ограничены, прямое обнаружение (PAM4) было предпочтительным для 100/200/400 Гбит/с, хотя когерентное в настоящее время перемещается в метро и короткое пространство по мере созревания энергоэффективных ASIC DSP.

Стоимость и интеграция

Прямые приемники обнаружения могут быть интегрированы в один чип (PD+TIA). Когерентные приемники требуют нескольких оптических компонентов (лазер ЛО, гибрид, четыре сбалансированных ПД), которые часто упаковываются в когерентный приемник оптической сборки (C-ROSA). Стоимость одного только лазера ЛО может составлять несколько сотен долларов. Однако фотонная интеграция (кремниевая фотоника или InP) быстро снижает стоимость и площадь присутствия когерентных приемников, позволяя их использовать в сетях кромки и доступа.

Передовые форматы модуляции для систем следующего поколения

Неустанный спрос на более высокие скорости передачи данных стимулировал разработку передовых форматов модуляции, которые расширяют границы дизайна приемника.

PDM-QPSK для 100G/200G

PDM-QPSK остается рабочей лошадкой для дальнемагистрального транспорта 100G. Его устойчивость к шуму и нелинейности, наряду со зрелой когерентной технологией приемника, делают его безопасным выбором для подводных и наземных систем. Для 200G PDM-16QAM является обычным явлением, уменьшая вдвое скорость бод (32 Гбо против 64 Гбо) для поддержания охвата.

Вероятностное формирование созвездий (PCS)

PCS - это новая технология, которая формирует распределение точек созвездия, чтобы приблизиться к гауссовскому распределению, улучшая нелинейную толерантность и запас OSNR на 0,5-1 дБ для заданной скорости передачи данных. PCS-64QAM развертывается в подводных кабелях 400G / 800G. Приемник должен поддерживать DSP, который обрабатывает переменную битовую загрузку и деформацию, обычно требуя дополнительной памяти и гибкости прошивки.

Высокоуровневый QAM для межсетевых соединений с короткими рамками

В сетях ЦОД и метро расстояния достаточно короткие, чтобы обеспечить очень высокую спектральную эффективность. 64-QAM и даже 256-QAM исследуются на 1,6 Тб/с и за его пределами. Эти форматы требуют чрезвычайно линейных передатчиков и приемников, лазеров с низким уровнем шума и мощных DSP, которые могут управлять фазовым шумом и проскальзываниями цикла. Разрешение ADC должно превышать 8 ENOB, а DSP должен реализовывать расширенное выравнивание (например, нелинейные эквалайзеры Volterra) для борьбы с нелинейностями связи.

Практические соображения в дизайне оптического приемника

Помимо теоретического бюджета связи, реальный дизайн приемника включает в себя множество инженерных компромиссов.

Технологии фотодетектора

Для прямого обнаружения доступны как PIN-, так и APD-фотодиоды. APD обеспечивают более высокую чувствительность, но имеют ограниченную полосу пропускания (обычно <30 ГГц) и избыточный шум. Для когерентного обнаружения фотодиоды должны работать в линейном режиме с высокой полосой пропускания (>40 ГГц для 64 Гбо) и низким тёмным током. Сбалансированные фотодиоды изготавливаются с соответствующей чувствительностью для минимизации ошибок отторжения в обычном режиме.

Требования ADC

ADC является критическим узким местом. Для 64 Gbaud PDM-16QAM ADC должен иметь выборку 80-90 GSa/s с ENOB не менее 5,5 при Nyquist. Распределение мощности для таких ADC находится в диапазоне 1-2 Вт на канал. По мере сокращения процессов CMOS (7 нм, 5 нм), ADC достигают более высоких показателей выборки с меньшей мощностью, что позволяет использовать компактные когерентные модули.

DSP ASIC против FPGA

В то время как ранние когерентные прототипы использовали FPGA, производственные системы используют пользовательские ASIC DSP, которые достигают меньших порядков мощности на Гбит/с. Набор функций DSP - включая компенсацию дисперсии, восстановление времени, восстановление несущей и FEC - обычно фиксируется для заданного формата модуляции. Некоторые новые конструкции поддерживают многоформатную гибкость, позволяя тому же приемнику обрабатывать QPSK, 16QAM или 64QAM путем переключения алгоритмов DSP.

Экологическая надежность

Когерентные приемники требуют стабильного контроля температуры для лазера LO и гибрида. В наружных или удаленных развертываниях управление температурой является значительной проблемой проектирования. Прямые приемники обнаружения более устойчивы к колебаниям температуры, что делает их привлекательными для внешних применений растений.

Заключение

Выбор формата модуляции сигнала, возможно, является наиболее влиятельным фактором в конструкции оптического приемника. Простые форматы интенсивности, такие как OOK, позволяют использовать недорогие, энергоэффективные приемники прямого обнаружения, подходящие для короткодоступных ссылок. По мере увеличения скорости передачи данных и расстояний, становятся необходимыми форматы фазовой и амплитудной модуляции, такие как DPSK и в конечном итоге когерентный QPSK / QAM, что приводит к квантовому скачку в сложности приемника. Эволюция от 100G (PDM-QPSK) до 400G (PDM-16QAM) и за ее пределами (PCS-64QAM, 256QAM) была обеспечена достижениями в фотонной интеграции, высокоскоростных ADC и высокопроизводительных ASIC DSP. Сетевые дизайнеры должны тщательно оценивать компромиссы между спектральной эффективностью, устойчивостью OSNR, энергопотреблением, стоимостью и сложностью приемника. Поскольку когерентная технология проникает в приложения с более коротким охватом, стоимость и сложность приемника продолжают улучшаться с многоуровневой модуляцией (PAM4), граница между двумя подходами будет

Для дальнейшего чтения см. Википедия по квадратурной амплитудной модуляции , Когерентный оптический приемник и Фаза-переходная кайинг .