Testando Sinalização Óptica Modulada Direta 800G

Os sistemas de comunicações ópticas têm sido um facilitador fundamental para a construção de nossa infraestrutura de informações. Muitos data centers usados ​​para armazenar e transmitir informações têm quilômetros de fibra e milhares de receptores laser/fotodetectores para enviar e receber informações pela fibra. Há uma pressão comercial implacável para aumentar a capacidade e o processo de desenvolvimento de novos sistemas que operam com taxas de dados mais altas continua. Este não é um processo de simplesmente projetar sistemas que movem mais informações. O custo desses sistemas precisa cair. Os data centers às vezes são descritos em termos de acres e megawatts, indicando que a energia necessária para operar o data center é enorme. Há uma forte motivação para encontrar maneiras de não apenas operar em capacidades mais altas, mas de fazê-lo usando menos energia.

O sistema básico de comunicação óptica tem um transmissor a laser que converte dados elétricos em luz modulada, uma fibra óptica e um receptor de fotodiodo para converter a luz modulada de volta em um sinal elétrico. Projetar o sistema de comunicações ópticas é complicado pelo fato de que, no ambiente de data center, raramente há a exigência de que o link óptico seja fabricado por um único fornecedor. O transmissor, a fibra e o receptor provavelmente serão produzidos por três empresas diferentes. Esse conceito, conhecido como interoperabilidade, oferece flexibilidade ao projetista do data center e facilita a concorrência entre os fornecedores, levando a mais inovação e custos mais baixos. A desvantagem disso é que projetar o sistema e especificar os componentes dentro desse sistema se torna mais complexo.

Uma organização de padrões como o IEEE 802.3 oferece um fórum público para definir os sistemas de comunicação. As reuniões são abertas a todos e contam com a participação de projetistas de data centers, fabricantes de equipamentos de rede, transceptores e fibra. Como o padrão definirá o desempenho e como ele é verificado, empresas de teste e medição também participam. Uma das saídas essenciais do grupo de padrões é um conjunto de especificações para os transmissores e um conjunto de especificações para os receptores. Novamente, os dois conjuntos existem para promover a interoperabilidade. Mais recentemente, o grupo de trabalho IEEE 802.3cu lançou o documento preliminar de 100 Gbps por comprimento de onda, que será a principal especificação para futuras interconexões baseadas em fibra.

As especificações geralmente começam com o receptor, onde os limites da intensidade do sinal determinarão a confiabilidade com que um fotodetector pode converter o sinal óptico em dados elétricos. Se o nível do sinal cair abaixo de uma sensibilidade recomendada, o receptor cometerá muitos erros, que normalmente são considerados erros de bits. Este limite é conhecido como o limite de sensibilidade do receptor.

Geralmente haverá um objetivo para a distância que o sinal deve percorrer, talvez tão curto quanto 100 metros ou tão longo quanto 40 quilômetros. A atenuação causada pela fibra é bem conhecida, portanto, trabalhando para trás a partir do receptor, contabilizando a perda esperada da fibra, define o nível mínimo de potência de sinal que um transmissor deve produzir. Na realidade, é mais complicado, pois há uma variedade de mecanismos que podem fazer com que um sistema gere erros de bits além de simplesmente ter a potência cair abaixo do limite de sensibilidade do receptor.

Do ponto de vista de um receptor, dois lasers operando no mesmo nível de potência podem gerar sinais muito diferentes. Sistemas de última geração operam hoje em mais de 50 GBaud (PAM4). Ou seja, a luz deve ser ligada e desligada no transmissor a uma taxa de até 50 bilhões de vezes por segundo. O receptor deve detectar que a luz está acesa ou apagada, e um transmissor de qualidade inferior pode ser lento. O laser pode gerar um sinal que não é estável quando o receptor toma uma decisão. Assim, a qualidade do sinal do laser precisa atender a um nível mínimo. Da mesma forma, não podemos esperar ter transmissores perfeitos, então os receptores precisam ter alguma tolerância para sinais de entrada não ideais. Isso leva a alguns requisitos importantes para transmissores e receptores:

Avaliação do transmissor óptico

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  Amplitude de Modulação Óptica (OMA):A diferença entre os níveis lógicos do transmissor.
  
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  Ruído de intensidade relativa (RIN):Uma medida da quantidade de ruído que um transmissor gera.
  
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  Dispersão do transmissor e fechamento do olho:TDEC ou TDECQ (para modulação PAM4) é uma medida estatística da qualidade do sinal, indicando a probabilidade de o sinal gerar erros no receptor (Figura 1).
  
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  Overshoot/Undershoot:Novas métricas definidas recentemente no IEEE 802.3cu para proteger os receptores de transientes severos no sinal de entrada.
  

Sinais com defeito no receptor óptico

Sensibilidade do receptor estressado (SRS):A taxa de erro de bits ou taxa de perda de quadro esperada abaixo do nível esperado quando o sinal que entra no receptor é o pior sinal esperado do transmissor (e canal).

Os instrumentos de teste foram desenvolvidos para oferecer deficiências ópticas de grau de instrumento (para alvos específicos de TDECQ, ER e OMA) para testes de receptores sob tensão. A Figura 2 ilustra um sinal SRS óptico típico que seria gerado para fins de teste.

Os transmissores são geralmente testados com um osciloscópio analisador de comunicações digitais especializado. Esses instrumentos possuem receptores ópticos de referência e firmware integrados para executar as medições exigidas por esses padrões. Da mesma forma, para os receptores, os sistemas de teste SRS (Figura 3), incluindo um sinal calibrado 'prejudicado' e um testador de taxa de erro de bits (BERT), estão disponíveis para verificar a conformidade com os padrões.

Desempenho de link a 100 Gbps - seja ele elétrico ou óptico - ambos operam com taxas de erro de bits mais altas do que suas contrapartes de 25 ou 50 Gbps de velocidade mais baixa. As interfaces atuais de 100 Gbps operam em taxas de erro de link nativas tão altas quanto 2E-4 BER e contam com técnicas modernas de correção de erros reed-Solomon (RS-FEC) para corrigir erros de bits aleatórios e isolados que ocorrem naturalmente na transmissão.

A codificação de erro de encaminhamento é um processo que se inicia nos dados na Subcamada de Codificação Física (PCS) antes da transição dos dados para o PMA (Physical Media Attachment). Essa interface PCS/PMA gerencia contribuições de codificação de erro de dados, intercalação, embaralhamento e alinhamento. Este sistema de codificação PCS/PMA apresenta desafios de análise de taxa de erro, pois o processo de observação da causa raiz de geração de erro de bit físico está agora obscurecido por uma quantidade considerável de correção de erro digital e circuitos de intercalação. O desejo de examinar os erros físicos em uma transmissão óptica que leva a quadros de dados irrecuperáveis ​​é um processo complexo e que os fornecedores de instrumentação de teste estão avançando ativamente hoje. Ferramentas especializadas, como os sistemas de análise multiporta Layer1 BERT e KP4 FEC agora desempenham uma parte integral da tolerância do receptor e das ferramentas gerais de depuração com reconhecimento de FEC (Figura 4).

A lacuna PCS/PMA que existe entre um sinal óptico corrigido por FEC e sua transmissão física bruta real pode ser superada com o sistema de teste de receptor com reconhecimento de FEC 400G da Keysight, que analisa fluxos de dados codificados por FEC e pode direcionar um osciloscópio para localizar (acionar) o sinal físico interface óptica em locais onde os erros estão ocorrendo e oferece aos projetistas de sistemas uma ferramenta pela primeira vez que conecta a análise de erro pós FEC com a análise e visualização da transmissão física lado a lado.

Resumo

Atualmente, os sistemas de comunicação de dados modulados diretos de maior capacidade operam a 400 Gbps. Esses sistemas têm várias faixas de 100 Gbps, usando quatro transmissores e quatro fibras ou com quatro transmissores de comprimento de onda e uma única fibra. Os links de 800 Gbps de primeira geração serão sistemas de 400 Gbps com escala de 2x por meio de conectores de maior densidade, como interconexões QSFP-DD e OSFP. Nesse cenário, com apenas mais faixas de 100 Gbps para agregar a 800 Gbps, as especificações e os métodos de teste permanecerão semelhantes aos dos sistemas de 400 Gbps. Os links nativos de 800 Gbps de 4 vias dependerão dos avanços nas especificações elétricas e ópticas que estão em andamento. Esta próxima classe de velocidade de 800 Gbps provavelmente avançará para uma velocidade nativa de 200 Gbps por faixa, tanto elétrica quanto ótica, ao mesmo tempo em que adere às fortes necessidades do mercado para reduzir o consumo geral de energia e o custo.

Quando a transmissão de via única de 200 Gbps for alcançada, os métodos e técnicas de teste de 100 Gbps provavelmente serão altamente aproveitados, no entanto, o campo de 200 Gbps provavelmente empregará avanços nos métodos de modulação como foco no aumento da eficiência de transmissão e no gerenciamento de gargalos de largura de banda conhecidos são os principais pontos de pressão na esta indústria. Os parceiros de medição da Keysight contribuem integralmente para esses esforços de padrões de ponta para garantir que as soluções de teste eficazes continuem disponíveis à medida que essas tecnologias evoluem para 800 Gbps e 1,6 Tbps para arquiteturas de data center de próxima geração.

Este artigo foi escrito por Greg D. Le Cheminant, Especialista em Aplicações de Medição, Análise de Comunicações Digitais, Soluções de Infraestrutura de Internet; e John Calvin, Planejador Estratégico e Líder de Tecnologia de Datacom, IP Wireline Solutions; Keysight Technologies (Santa Rosa, CA). Para mais informações, visite aqui .