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(gè)基本組成部分，以解決直接探測技術(shù)無(wú)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。這些額外的調制維度，允許在不影響傳輸距離的情況下實(shí)現更快的光信號。此外，相干技術(shù)實(shí)現了容量的升級，而無(wú)需更換地面上昂貴的物理光纖基礎設施。

  然而，對數據的需求從未停止，隨之而來(lái)的是，數字信號處理器（DSP）的開(kāi)發(fā)者不得不想辦法提高相干傳輸的效率。在這篇文章中，我們將簡(jiǎn)要介紹DSP開(kāi)發(fā)者用來(lái)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(shí)現的前向糾錯（FEC）已經(jīng)成為相干通信系統的一個(gè)重要組成部分。前向糾錯使相干鏈路 (coherent link) 比直接檢測系統對噪聲的容忍度高得多，并能實(shí)現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(wàn)倍的誤碼率。

  讓我們對FEC的工作原理做一個(gè)高層次的概述。FEC編碼器在傳輸的數據流中添加一系列冗余位（稱(chēng)為開(kāi)銷(xiāo)）。接收器可以使用這個(gè)開(kāi)銷(xiāo)來(lái)檢查錯誤，而不要求發(fā)射器重新發(fā)送數據。

圖1: 帶有前向糾錯（FEC）的網(wǎng)絡(luò )鏈路的簡(jiǎn)化圖

  換句話(huà)說(shuō)，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(lèi)似于成像相機：圖像處理算法讓你手機相機內的鏡頭產(chǎn)生更高質(zhì)量的圖像。

  我們必須強調，FEC是電子DSP引擎的一個(gè)模塊，有自己專(zhuān)門(mén)的電路和算法，所以它是一個(gè)獨立的知識產(chǎn)權。因此，開(kāi)發(fā)整個(gè)DSP電子引擎（見(jiàn)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。

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(shí)的順序。

  什么是概率星座整形（PCS）？

  DSP開(kāi)發(fā)者可以通過(guò)在其正交振幅調制過(guò)程中傳輸更多的狀態(tài)來(lái)傳輸更多的數據。最簡(jiǎn)單的一種QAM（4-QAM）使用四種不同的狀態(tài)（通常稱(chēng)為星座點(diǎn)），結合兩種不同的強度水平和兩種不同的光相位（phases of light）。

  通過(guò)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(jìn)的商用400ZR收發(fā)器通常使用16-QAM，有16個(gè)不同的星座點(diǎn)，這些星座點(diǎn)由四個(gè)不同的強度級別和四個(gè)相位組合而成。然而，這種傳輸能力的提高是有代價(jià)的：具有更多調制階數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公里內傳輸400Gbps，但不能在1000公里內傳輸。

  最近DSP在增加光信號的覆蓋范圍方面最顯著(zhù)的進(jìn)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調制中，每個(gè)星座點(diǎn)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(diǎn)與需要較低功率的內部星座點(diǎn)具有相同的概率。

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

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

  標準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(zhuān)利技術(shù)。設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(zhù)來(lái)自不同供應商的相干收發(fā)器不能相互操作，整個(gè)網(wǎng)絡(luò )部署必須使用同一個(gè)供應商。

  隨著(zhù)時(shí)間的推移，相干收發(fā)器越來(lái)越需要具有互操作性，導致了這些算法的一些標準化。例如，用于數據中心互連的400ZR標準使用一種公共算法，稱(chēng)為串聯(lián)FEC（CFEC）。相比之下，一些400ZR+MSA標準使用開(kāi)放的FEC（oFEC），它以多一點(diǎn)的帶寬和能源消耗為代價(jià)，提供更多的延伸。對于最長(cháng)的可能鏈路長(cháng)度（500公里以上），專(zhuān)有的FEC成為400G傳輸的必要條件。不過(guò)，至少公共的FEC標準已經(jīng)實(shí)現了400G收發(fā)器市場(chǎng)中很大一部分的互操作性。也許在未來(lái)，這可能會(huì )發(fā)生在PCS方法上。

  未來(lái)的DSP可以在不同的算法和方法之間切換，以適應網(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(cháng)的地鐵鏈路的案例，該鏈路以100Gbps的速度運行，采用開(kāi)放式FEC。運營(yíng)商需要將該鏈路的容量提高到400Gbps，但開(kāi)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(zhuān)有的FEC標準，收發(fā)器將能夠處理這個(gè)升級的鏈路。同樣，如果DSP激活其PCS功能，可以實(shí)現更遠的距離。

表1：400G可插拔收發(fā)器的不同用例和標準的匯總

  總結

  可以說(shuō)，整個(gè)通信技術(shù)領(lǐng)域可以用一個(gè)問(wèn)題來(lái)概括：我們如何才能在盡可能長(cháng)的距離內將更多的信息傳輸到一個(gè)單一的頻率限制信號中？

  DSP開(kāi)發(fā)人員有許多工具來(lái)回答這個(gè)問(wèn)題，其中兩個(gè)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(lái)處理不同用例的可插拔收發(fā)器必須使用不同的編碼、錯誤編碼和調制方案，以適應不同的網(wǎng)絡(luò )要求。

  在改進(jìn)DSP并使其以更節能的方式傳輸更多的比特方面，未來(lái)仍有許多挑戰?，F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，我們希望這將為有利于正在進(jìn)行的研究和開(kāi)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