相干光收發(fā)器DSP：什么是FEC和PCS，它們?yōu)槭裁粗匾?/h1>

  相干傳輸已成為光網(wǎng)絡(luò)的一個基本組成部分，以解決直接探測技術(shù)無法提供所需容量和覆蓋范圍的情況。

  直接探測傳輸只使用光信號的振幅，而相干光傳輸具有三種不同的光屬性：振幅、相位和偏振。這些額外的調(diào)制維度，允許在不影響傳輸距離的情況下實現(xiàn)更快的光信號。此外，相干技術(shù)實現(xiàn)了容量的升級，而無需更換地面上昂貴的物理光纖基礎(chǔ)設(shè)施。

  然而，對數(shù)據(jù)的需求從未停止，隨之而來的是，數(shù)字信號處理器（DSP）的開發(fā)者不得不想辦法提高相干傳輸?shù)男?。在這篇文章中，我們將簡要介紹DSP開發(fā)者用來提高相干傳輸效率的兩種算法的影響，前向糾錯（FEC）和概率星座整形（PCS）。

  什么是前向糾錯（FEC）？

  由DSP實現(xiàn)的前向糾錯（FEC）已經(jīng)成為相干通信系統(tǒng)的一個重要組成部分。前向糾錯使相干鏈路 (coherent link) 比直接檢測系統(tǒng)對噪聲的容忍度高得多，并能實現(xiàn)更遠的距離和更高的容量。由于有了FEC，相干鏈路可以處理比典型的直接探測鏈路高一百萬倍的誤碼率。

  讓我們對FEC的工作原理做一個高層次的概述。FEC編碼器在傳輸?shù)臄?shù)據(jù)流中添加一系列冗余位（稱為開銷）。接收器可以使用這個開銷來檢查錯誤，而不要求發(fā)射器重新發(fā)送數(shù)據(jù)。

圖1: 帶有前向糾錯（FEC）的網(wǎng)絡(luò)鏈路的簡化圖

  換句話說，FEC算法允許DSP在不改變硬件的情況下增強鏈路性能。這種增強類似于成像相機：圖像處理算法讓你手機相機內(nèi)的鏡頭產(chǎn)生更高質(zhì)量的圖像。

  我們必須強調(diào)，FEC是電子DSP引擎的一個模塊，有自己專門的電路和算法，所以它是一個獨立的知識產(chǎn)權(quán)。因此，開發(fā)整個DSP電子引擎（見圖2，DSP的關(guān)鍵組件塊）需要擁有或獲得特定的FEC知識產(chǎn)權(quán)。

圖2: 相干光收發(fā)器中使用的電子引擎的布局，包括信號在被引擎處理時的順序。

  什么是概率星座整形（PCS）？

  DSP開發(fā)者可以通過在其正交振幅調(diào)制過程中傳輸更多的狀態(tài)來傳輸更多的數(shù)據(jù)。最簡單的一種QAM（4-QAM）使用四種不同的狀態(tài)（通常稱為星座點），結(jié)合兩種不同的強度水平和兩種不同的光相位（phases of light）。

  通過使用更多的強度等級和相位，一次可以傳輸更多的比特。最先進的商用400ZR收發(fā)器通常使用16-QAM，有16個不同的星座點，這些星座點由四個不同的強度級別和四個相位組合而成。然而，這種傳輸能力的提高是有代價的：具有更多調(diào)制階數(shù)的信號更容易受到噪聲和失真影響。這就是為什么這些收發(fā)器可以在100公里內(nèi)傳輸400Gbps，但不能在1000公里內(nèi)傳輸。

  最近DSP在增加光信號的覆蓋范圍方面最顯著的進展之一是概率星座整形（PCS）。在相干收發(fā)器中使用的典型的16-QAM調(diào)制中，每個星座點都有相同的使用概率。這是低效的，因為需要更多功率的外部星座點與需要較低功率的內(nèi)部星座點具有相同的概率。

圖3：傳統(tǒng)16-QAM和使用概率星座整形（PCS）的16-QAM的比較，靈感來自Infinera公司的圖。

  如圖3所示，PCS更頻繁地使用低功耗的內(nèi)部星座點，而較少使用外部星座點。這一特點提供了許多好處，包括提高對失真的容忍度，以及更容易根據(jù)具體的比特傳輸要求進行系統(tǒng)優(yōu)化。如果你想了解更多，請閱讀參考文獻 [1], [2] 的解釋。

  標(biāo)準(zhǔn)化和可重新配置的重要性

  像FEC和PCS這樣的算法通常都是專利技術(shù)。設(shè)備和元件制造商對其算法嚴加保護，因為它們提供了關(guān)鍵的競爭優(yōu)勢。然而，這往往意味著來自不同供應(yīng)商的相干收發(fā)器不能相互操作，整個網(wǎng)絡(luò)部署必須使用同一個供應(yīng)商。

  隨著時間的推移，相干收發(fā)器越來越需要具有互操作性，導(dǎo)致了這些算法的一些標(biāo)準(zhǔn)化。例如，用于數(shù)據(jù)中心互連的400ZR標(biāo)準(zhǔn)使用一種公共算法，稱為串聯(lián)FEC（CFEC）。相比之下，一些400ZR+MSA標(biāo)準(zhǔn)使用開放的FEC（oFEC），它以多一點的帶寬和能源消耗為代價，提供更多的延伸。對于最長的可能鏈路長度（500公里以上），專有的FEC成為400G傳輸?shù)谋匾獥l件。不過，至少公共的FEC標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)實現(xiàn)了400G收發(fā)器市場中很大一部分的互操作性。也許在未來，這可能會發(fā)生在PCS方法上。

  未來的DSP可以在不同的算法和方法之間切換，以適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)性能和使用情況。例如，讓我們看看升級一條650公里長的地鐵鏈路的案例，該鏈路以100Gbps的速度運行，采用開放式FEC。運營商需要將該鏈路的容量提高到400Gbps，但開放式FEC可能難以提供必要的鏈路性能。然而，如果DSP可以被重新配置為使用專有的FEC標(biāo)準(zhǔn)，收發(fā)器將能夠處理這個升級的鏈路。同樣，如果DSP激活其PCS功能，可以實現(xiàn)更遠的距離。

表1：400G可插拔收發(fā)器的不同用例和標(biāo)準(zhǔn)的匯總

  總結(jié)

  可以說，整個通信技術(shù)領(lǐng)域可以用一個問題來概括：我們?nèi)绾尾拍茉诒M可能長的距離內(nèi)將更多的信息傳輸?shù)揭粋€單一的頻率限制信號中？

  DSP開發(fā)人員有許多工具來回答這個問題，其中兩個是FEC和PCS。這兩種技術(shù)使相干鏈路對噪聲的耐受性大大增強，并能擴大其覆蓋范圍。未來處理不同用例的可插拔收發(fā)器必須使用不同的編碼、錯誤編碼和調(diào)制方案，以適應(yīng)不同的網(wǎng)絡(luò)要求。

  在改進DSP并使其以更節(jié)能的方式傳輸更多的比特方面，未來仍有許多挑戰(zhàn)?，F(xiàn)在，EFFECT Photonics公司已經(jīng)吸收了Viasat公司的相干DSP團隊的人才和知識產(chǎn)權(quán)，我們希望這將為有利于正在進行的研究和開發(fā)，使收發(fā)器比以前更快、更持久。

  參考文獻：

  1.https://www.infinera.com/blog/ah-so-thats-how-probabilistic-constellation-shaping-works/tag/long-haul/，《Ah, So That’s How Probabilistic Constellation Shaping Works!》

  2.https://www.infinera.com/blog/probabilistic-constellation-shaping-faster-further-smoother/tag/optical/，《Probabilistic Constellation Shaping: Faster, Further, Smoother》

  逍遙科技 | 編譯自  Effect Photonics