FEC使PAM4成為可能 DSP處理實(shí)現(xiàn)112G

力科（Teledyne LeCroy）公司的David Maliniak在2016年寫了一篇很好的文章，解釋了PAM4的基本原理。我們需要更多的數(shù)據(jù)，而且希望更快，Maliniak說道。在即將來臨的5G時(shí)代，NRZ編碼對(duì)于我們來說還不夠快，而NRZ型編碼也不能滿足這些需求。

我的同事Martin Rowe評(píng)論說，NRZ已死，而根據(jù)DesignCon 2018會(huì)議上一個(gè)專題為“閉眼場景”的討論小組的專家觀點(diǎn)，NRZ仍有用武之地。當(dāng)然，在56GHz和短距離銅鏈路上，NRZ（稱為PAM2）仍然合適并且有用。但在其他場合，特別是在56Gbps和112Gbps，PAM4的四電平脈沖幅度調(diào)制將具有絕對(duì)優(yōu)勢(shì)！

博通（Broadcom）公司在PAM4、PAM8和PAM16上都進(jìn)行了試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)PAM8和PAM16的眼睛太小，于是PAM4在56Gbps上凸顯出來。Rowe在DesignCon 2018之后提出了另一個(gè)觀點(diǎn)：112是新的56（Gbps）。

其他討論小組成員也有評(píng)論，比如前向糾錯(cuò)（FEC）將使PAM4成為可能，DSP處理將會(huì)實(shí)現(xiàn)112Gbps等。本文稍后會(huì)討論這個(gè)問題。

高速電纜/連接器的重要性

有時(shí)我們會(huì)忘記，電纜和連接器可能是高速通道中最薄弱的環(huán)節(jié)。Samtec和Credo兩家公司今年在OFC 2018（美國光纖通訊展覽會(huì)及研討會(huì)）上展出了一個(gè)采用Samtec Flyover系統(tǒng)的演示。他們采用Credo的時(shí)鐘和數(shù)據(jù)恢復(fù)（CDR）芯片，設(shè)置了兩個(gè)112Gbps PAM4數(shù)據(jù)端口。信號(hào)通過射頻跳線傳送到Samtec的FQSFP-DD連接器的信號(hào)完整性（SI）表征卡。然后，信號(hào)再通過12英寸的Samtec超低偏斜雙軸電纜，到達(dá)Samtec加速高速電纜組件SI表征卡。

信號(hào)通路最終通過第二組RF跳線到第二個(gè)Credo CDR，最后我們?cè)贕UI上看到通道輸出，它顯示112Gbps PAM4數(shù)據(jù)以31位的偽隨機(jī)序列運(yùn)行，誤碼率為2e-7（可以去Samtec網(wǎng)站上觀看視頻）。

瞧：我們對(duì)在一根相當(dāng)長的電纜上傳輸高速信號(hào)有了概念證明！

挑戰(zhàn)和機(jī)遇

人們對(duì)帶寬（BW）的需求一直以令人眩目的速度增長，IC、系統(tǒng)和光纖行業(yè)正試圖達(dá)到一種新的信號(hào)傳輸速率，以滿足對(duì)帶寬的需求。IEEE 802.3正在為100GBASE-DR1開發(fā)100G信令，而400GBASE-DR4和OIF PLL工作組也開始了CEI-112G-PAM4-VSR的相關(guān)工作。MACOM公司早已預(yù)見到了這種趨勢(shì)，并且已經(jīng)在實(shí)驗(yàn)室中研究這種技術(shù)一年多了。

數(shù)據(jù)中心

對(duì)于數(shù)據(jù)中心內(nèi)的通信，特別是在112Gbps的速率下，光分組交換提供了一種高效節(jié)能的方式。業(yè)界已經(jīng)使用PAM4和PAM8進(jìn)行預(yù)失真分析，并查看了三種光接收器。使用PAM8及一個(gè)半導(dǎo)體光放大器（SOA）-PIN和62.5GHz柵格，單級(jí)系統(tǒng)可連接48臺(tái)服務(wù)器。若使用兩級(jí)配置，可連接的服務(wù)器數(shù)量激增到1488個(gè)?？蛇B接的服務(wù)器數(shù)量受兩個(gè)參數(shù)的限制：

（1）光功率預(yù)算，它取決于光接口的類型；

（2）波長信道的數(shù)量，它可以針對(duì)所用激光器的調(diào)諧頻帶、調(diào)諧機(jī)制的分辨率以及信道頻譜占用率來解決。

內(nèi)部DC互連網(wǎng)絡(luò)占數(shù)據(jù)中心總功耗的23%；大多數(shù)網(wǎng)絡(luò)使用電分組交換機(jī)（EPS），它們通過光學(xué)連接，速度高達(dá)10Gbps。但是，現(xiàn)在可以實(shí)現(xiàn)40至100+Gbps的比特率。性能/成本比在這里很重要；目前的系統(tǒng)多使用4×25Gbps，或10×10Gbps等并行鏈路，有的甚至采用基于強(qiáng)度調(diào)制和直接檢測(cè)（IM-DD）的多電平格式。

我很高興地看到，使用低功耗模擬（電路或分組級(jí)）光交換降低了功率消耗，而數(shù)字（比特級(jí)）光交換則成了“數(shù)字白癡”。另外，光交換應(yīng)該有助于降低由DC連接內(nèi)部引入的延遲。

《Dimensioning of 112G Optical-Packet-Switching-Based Interconnects for Energy-Efficient Data Centers（用于高能效數(shù)據(jù)中心的112G光分組交換互連的尺寸確定）》一文的作者選擇使用光分組交換（OPS）來廢止數(shù)據(jù)中心連接中的EPS。無源光pod互連（POPI）具有一個(gè)簡單的使用光學(xué)星形耦合器的無源基礎(chǔ)架構(gòu)。根據(jù)所需的傳輸容量，POPI可用于連接機(jī)架和服務(wù)器（圖1）。

圖1：在POPI架構(gòu)中，機(jī)架1和2中的服務(wù)器共享所有的波長（紅色/綠色）。機(jī)架r的服務(wù)器使用不同的波長。

特別是在城域網(wǎng)（MAN）應(yīng)用中，業(yè)界目前在研究依賴于可對(duì)波長快速調(diào)諧的激光器的技術(shù)，如時(shí)隙波長交織網(wǎng)（TWIN）。這類技術(shù)正受到設(shè)計(jì)工程師的重視，因?yàn)榕c其他方案相比，它們可以降低功耗和縮短延遲時(shí)間，這對(duì)服務(wù)器系統(tǒng)是至關(guān)重要的。將互連比特率提高到112Gbps，可以實(shí)現(xiàn)快速的服務(wù)器遷移，并且可以根據(jù)可用的電力和工作負(fù)載來關(guān)閉一些服務(wù)器。

長距離

Inphi公司在2015年面向云互連開發(fā)出了首款千兆以太網(wǎng)PAM4 IC芯片。由于100G數(shù)據(jù)中心到目前為止是采用四根25Gbps光纖/波長，這種100GHz光學(xué)PAM4調(diào)制方案通過在相同波特率下將比特/符號(hào)數(shù)加倍，可減少光纖數(shù)量。采用PAM4編碼、實(shí)時(shí)DSP和前向糾錯(cuò)（FEC）技術(shù)，可以將復(fù)雜功能轉(zhuǎn)換到CMOS中。與目前使用的NRZ解決方案相比，這種方法可以以更低的成本提高帶寬。

《First demonstration of PAM4 transmissions for record reach and high-capacity SWDM links over MMF using 40G/100G PAM4 IC chipset with real-time DSP（使用帶實(shí)時(shí)DSP的40G/100G PAM4 IC芯片組在多模光纖（MMF）上使用PAM4傳輸實(shí)現(xiàn)創(chuàng)紀(jì)錄的距離和大容量短波波分復(fù)用（SWDM）鏈路的首次演示）》一文中使用了新的PAM4芯片組，針對(duì)標(biāo)準(zhǔn)的OM4和寬帶多模光纖（WBMMF）對(duì)采用實(shí)時(shí)DSP的鏈路性能及由此帶來的更小的芯片尺寸進(jìn)行了研究，從而獲得40/50Gbps和100/200Gbps的速度升級(jí)。PAM4傳輸通過使用Ge/Si雪崩光電二極管（APD），能夠達(dá)到550m的比例紀(jì)錄，并通過實(shí)時(shí)的DSP處理，在WBMMF上實(shí)現(xiàn)212.5Gbps的匯總速率紀(jì)錄（圖2）。

圖2：此處顯示的PAM4測(cè)試架構(gòu)用到（a）1λ 40/50Gbps垂直腔面發(fā)射激光器（VCSEL），（b）2λ（或更大）100/200Gbps VCSEL，并在插圖中顯示了850nm Tx光學(xué)眼圖和Rx DSP恢復(fù)直方圖; （c）顯示了傳統(tǒng)OM4和WBMMF的有效模式帶寬（EMB）與波長的關(guān)系。

該測(cè)試顯示在1310nm波長下、在長達(dá)40km距離內(nèi)可實(shí)現(xiàn)無誤差傳輸，且在KP4 FEC閾值下具有極佳的裕量。該解決方案可實(shí)現(xiàn)CFP4和QSFP28等小尺寸模塊，與現(xiàn)有設(shè)計(jì)相比，可實(shí)現(xiàn)小得多的尺寸和更高的性能。

短距離

上世紀(jì)90年代后期，我曾是Burr-Brown公司的北電（Nortel）客戶經(jīng)理/應(yīng)用工程師，看到了北電開發(fā)的業(yè)界第一款相干光轉(zhuǎn)發(fā)器以40Gbps的速度運(yùn)行。那時(shí)電信行業(yè)對(duì)于40G還沒有做好準(zhǔn)備，因?yàn)殡娦胚\(yùn)營商認(rèn)為，地下已經(jīng)鋪設(shè)太多“暗”光纖，他們希望在投資更快的系統(tǒng)之前先將這些數(shù)據(jù)管道填補(bǔ)好。

在過去10年左右，開發(fā)人員用正交幅度調(diào)制（QAM）嘗試了各種不同的波特率。最近的研究工作主要集中在帶DSP處理的相干QAM系統(tǒng)，以便在更高比特率下達(dá)到更長的傳輸距離。

上述系統(tǒng)中可以看到色散（CD）和偏振模式色散（PMD）問題——根據(jù)《Volterra and Wiener Equalizers for Short-Reach 100G PAM-4 Applications（沃爾泰拉和維納均衡器在短距離100G PAM-4上的應(yīng)用）》一文，它們可分別由固定和自適應(yīng)的線性均衡器校正（圖3）。

圖3：自適應(yīng)均衡器框圖。

自適應(yīng)濾波器通常用于實(shí)現(xiàn)噪聲和回聲消除、正弦抑制、均衡以及其他更多應(yīng)用。

在圖3中，符號(hào)s通過具有傳遞函數(shù)H的信道發(fā)送出去。均衡濾波器可具有不同的結(jié)構(gòu)，它帶有系數(shù)向量w和輸入樣本向量x，其中M是表示符號(hào)間干擾（ISI）傳播的濾波器跨度（M個(gè)采樣周期）。在這種情況下，對(duì)于這篇文章，我們假定M是奇數(shù)，=2K+1。wdc是直流分量。想了解更多詳情，請(qǐng)參閱此文。

沃爾泰拉和維納均衡器濾波器

維納濾波器將沃爾泰拉濾波器作為它的一個(gè)子集。在這篇文章中，作者使用了基于離散非線性維納模型的隨機(jī)梯度自適應(yīng)算法。

作為維納濾波器的一個(gè)子集，沃爾泰拉均衡器濾波器擅長于半導(dǎo)體激光二極管失真、單模濾波器的傳遞函數(shù)和多模干涉耦合器內(nèi)的非線性傳播等的建模。在沃爾泰拉系統(tǒng)中使用的最小均方（LMS）算法是一種隨機(jī)最陡下降算法，其中真實(shí)梯度向量通過直接從輸入和輸出信號(hào)獲得的估計(jì)值來近似，而且非常簡單。但是，當(dāng)自相關(guān)矩陣特征值具有很大的散布范圍時(shí)，收斂慢是不可避免的。使用離散傅立葉變換（DFT）或格拉姆-施密特（Gram-Schmidt）正交化可獲得更好的正交性。

這篇文章確定有限沃爾泰拉濾波器最適合帶寬有限的系統(tǒng)。帶寬有限的系統(tǒng)需要雙二進(jìn)制PAM4均衡器濾波器，而正交化在這里是不可能的。

在最后的分析中，這篇文章中的所有測(cè)試案例都確定三階沃爾泰拉濾波器足夠用于實(shí)現(xiàn)城域網(wǎng)和數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)市場中的低成本112Gbps PAM4接收器。

112G看起來正在很好地成熟，這一天也早該來了，因?yàn)樵茢?shù)據(jù)中心正在全球范圍內(nèi)成倍增長。在OFC 2018展會(huì)上，Credo展示了他們的112G PAM4產(chǎn)品。

高速度和低功耗將是這一領(lǐng)域的主導(dǎo)動(dòng)力，我相信未來幾年在這兩方面都能看到更多創(chuàng)新的技術(shù)出現(xiàn)。