NRZ, PAM4 и DSP: ретаймеры, гирбоксы, LPO, когерент

До 25G на канал трансивер передавал биты, включая и выключая лазер и читая результат компаратором. Дальше оптика не могла дёшево ускоряться, и отрасль заставила каждый символ нести больше — PAM4 — и поставила в модуль цифровой сигнальный процессор, чтобы шумный четырёхуровневый сигнал стал читаемым. Теперь DSP доминирует в мощности, стоимости и задержке модулей 400G+, поэтому новейшие конструкции пытаются снова его убрать (LPO) или спрятать глубже (когерент). Здесь — что делает цепочка обработки сигнала и что каждый вариант значит для хостов и диагностики.

Форматы модуляции

Формат	Бит на символ	Примеры каналов	Что нужно приёмнику	Штраф относительно NRZ
NRZ (вкл/выкл, 2 уровня)	1	1G, 10G, 25G, 40G (4×10), 100G (4×25)	ограничивающий усилитель + CDR	—
PAM4 (4 уровня)	2	50G, 100G, 200G на канал; 400G (8×50 или 4×100), 800G	линейный входной тракт, ADC, эквалайзер DSP; RS-FEC обязателен	≈ 9,5 дБ меньше раскрытие глаза → нужны FEC и эквализация
Когерент (QPSK, 8QAM, 16QAM на двух поляризациях)	4–8 на символ	100G–800G на длину волны (ZR, ZR+)	лазер гетеродина, 90°-гибрид, балансные PD, 4-канальный ADC + тяжёлый DSP + FEC	огромное преимущество по OSNR на длинных пролётах

Качество глаза PAM4 измеряют как TDECQ (transmitter dispersion eye closure quaternary), а не простой маской — выведенная DSP величина того, насколько опорному эквалайзеру приходится работать, чтобы восстановить уровни. Стандарты и пары с FEC: FEC, AN и обучение линка.

Что делает DSP

каналы хоста ─► SerDes Rx ─► (ретайминг) ─► гирбокс ─► DAC ─► драйвер ─► лазер/модулятор
волокно ─► PD/TIA (линейный) ─► ADC ─► эквалайзер CTLE/FFE/DFE ─► решающее устройство ─► (FEC в когеренте) ─► гирбокс ─► SerDes Tx ─► хост

Функция	Назначение	Примечания
Ретайминг	чистый такт с обеих сторон — работа CDR, поглощённая DSP	CDR
Эквализация — CTLE, FFE, DFE, иногда MLSE	отменить ограничения полосы лазера, фотодиода, волокна и дорожек платы, чтобы четыре уровня снова разделились	адаптивная; сходится за мс при поднятии линка
Гирбокс	сменить число каналов: 8 × 50G PAM4 от хоста ↔ 4 × 100G PAM4 в оптику (400G DR4/FR4); 4 × 25G NRZ ↔ 2 × 50G PAM4 (100G DR)	почему у модуля 400G 8 электрических и 4 оптических канала
Предыскажение / формирование драйвера	компенсировать нелинейность лазера, чтобы четыре уровня были равноотстоящими	подстраивается на производстве для каждого модуля
Мониторинг	оценка BER до FEC, SNR, метрики глаза — источник VDM в CMIS	VDM и метрики FEC
FEC (только когерент)	oFEC / CFEC внутри модуля; Ethernet-модули оставляют RS-FEC хосту	400ZR: CFEC; OpenZR+: oFEC

Цена: DSP 400G потребляет 3–6 Вт (половину бюджета модуля), добавляет ~50–100 нс задержки и десятки долларов. Он же привязывает модуль к применениям, под которые спроектирован, — отсюда модель применений CMIS (CMIS).

С ретаймингом, линейные, полуретаймированные

Архитектура	Что внутри модуля	Мощность (класс 400G)	Требование к хосту	Статус
DSP / полный ретайминг	ADC, DSP, DAC в обоих направлениях	8–12 Вт	любой совместимый хост — модуль отдаёт чистый интерфейс	мейнстрим 400G/800G
LPO — linear pluggable optics	только драйвер + линейный TIA; ни DSP, ни CDR	4–6 Вт	SerDes хоста должен эквализировать весь канал вместе с оптикой; нужен способный ASIC и настройка на линк	короткие линки AI/HPC; LPO MSA (2023+)
LRO / HALO — полуретаймированный	DSP только на стороне Tx (хост→оптика)	6–8 Вт	промежуточное	нарождающийся компромисс
CPO — co-packaged optics	оптика на корпусе ASIC коммутатора; без съёмного модуля	минимум на бит	новые конструкции коммутаторов	ранние внедрения

Для диагностики разница существенна: у LPO-модуля нет DSP, чтобы отдавать BER до FEC или SNR, так что счётчики FEC хоста — единственный битовый взгляд, а качество линка зависит от настроек эквалайзера хоста не меньше, чем от оптики.

Когерентные модули вкратце

QSFP-DD или OSFP 400ZR/ZR+ содержит перестраиваемый лазер (nano-ITLA), используемый и как источник передатчика, и как гетеродин, IQ-модулятор (четыре секции Маха — Цендера, кремниевая фотоника или InP) под управлением DAC DSP, интегрированный когерентный приёмник (90°-гибрид, балансные фотодиоды, TIA) и DSP, который делает компенсацию хроматической дисперсии, разделение поляризаций, восстановление несущей и FEC — бывший транспондер линейной карты в 15–20 Вт. Их мониторы (OSNR, CD, DGD, Q-фактор, мощность сигнала Rx) появляются в VDM CMIS (Когерент и дальняя связь).

NRZ-модули: классическая цепочка

У модулей 1G–25G цепочка короткая — драйвер, лазер, фотодиод, TIA, ограничивающий усилитель, необязательный CDR — и целиком аналоговая. Гибкость по скорости даёт обход CDR или переключение полосы выбором скорости (Выбор скорости); диагностика — мощность Rx и счётчики CRC/FEC хоста; задержка — единицы наносекунд. Эта простота — причина, по которой оптика 10G и 25G остаётся дешёвой и по которой она всё ещё основная масса того, что видят программаторы.

Последствия для хоста

Тема	NRZ-модуль	PAM4-модуль с DSP	LPO
Поднятие линка	немедленно	сходимость DSP + инициализация тракта CMIS (сотни мс — секунды)	обучение эквалайзера хоста
FEC	опционально/хост	RS-FEC обязателен (хост)	RS-FEC обязателен (хост)
Breakout	по каналам, если оптика параллельная	только объявленные применения	зависит от хоста
Класс мощности	1–3	4–7 (QSFP28 LR4) / CMIS 5–8	CMIS 3–5
Риск совместимости	низкий	настройки DSP хоста/модуля, версия CMIS	высокий — настройка хоста под тип модуля

Запуск и отказы: Что делает хост, Проблемы CMIS, Скорость и режимы.

В CodingBox

Идентификация говорит, какая цепочка у модуля: коды кодирования NRZ или PAM4, биты CDR, применения CMIS с ID интерфейсов хоста и среды и класс мощности, выдающий DSP. Для CMIS-модулей экран DDM добавляет собственный взгляд DSP — BER до FEC и SNR по каналам из VDM — рядом с классическими оптическими мониторами.