相干光收发器DSP：什么是FEC和PCS，它们为什么重要？

  相干传输已成为光网络的一个基本组成部分，以解决直接探测技术无法提供所需容量和覆盖范围的情况。

  直接探测传输只使用光信号的振幅，而相干光传输具有三种不同的光属性：振幅、相位和偏振。这些额外的调制维度，允许在不影响传输距离的情况下实现更快的光信号。此外，相干技术实现了容量的升级，而无需更换地面上昂贵的物理光纤基础设施。

  然而，对数据的需求从未停止，随之而来的是，数字信号处理器（DSP）的开发者不得不想办法提高相干传输的效率。在这篇文章中，我们将简要介绍DSP开发者用来提高相干传输效率的两种算法的影响，前向纠错（FEC）和概率星座整形（PCS）。

  什么是前向纠错（FEC）？

  由DSP实现的前向纠错（FEC）已经成为相干通信系统的一个重要组成部分。前向纠错使相干链路 (coherent link) 比直接检测系统对噪声的容忍度高得多，并能实现更远的距离和更高的容量。由于有了FEC，相干链路可以处理比典型的直接探测链路高一百万倍的误码率。

  让我们对FEC的工作原理做一个高层次的概述。FEC编码器在传输的数据流中添加一系列冗余位（称为开销）。接收器可以使用这个开销来检查错误，而不要求发射器重新发送数据。

图1: 带有前向纠错（FEC）的网络链路的简化图

  换句话说，FEC算法允许DSP在不改变硬件的情况下增强链路性能。这种增强类似于成像相机：图像处理算法让你手机相机内的镜头产生更高质量的图像。

  我们必须强调，FEC是电子DSP引擎的一个模块，有自己专门的电路和算法，所以它是一个独立的知识产权。因此，开发整个DSP电子引擎（见图2，DSP的关键组件块）需要拥有或获得特定的FEC知识产权。

图2: 相干光收发器中使用的电子引擎的布局，包括信号在被引擎处理时的顺序。

  什么是概率星座整形（PCS）？

  DSP开发者可以通过在其正交振幅调制过程中传输更多的状态来传输更多的数据。最简单的一种QAM（4-QAM）使用四种不同的状态（通常称为星座点），结合两种不同的强度水平和两种不同的光相位（phases of light）。

  通过使用更多的强度等级和相位，一次可以传输更多的比特。最先进的商用400ZR收发器通常使用16-QAM，有16个不同的星座点，这些星座点由四个不同的强度级别和四个相位组合而成。然而，这种传输能力的提高是有代价的：具有更多调制阶数的信号更容易受到噪声和失真影响。这就是为什么这些收发器可以在100公里内传输400Gbps，但不能在1000公里内传输。

  最近DSP在增加光信号的覆盖范围方面最显著的进展之一是概率星座整形（PCS）。在相干收发器中使用的典型的16-QAM调制中，每个星座点都有相同的使用概率。这是低效的，因为需要更多功率的外部星座点与需要较低功率的内部星座点具有相同的概率。

图3：传统16-QAM和使用概率星座整形（PCS）的16-QAM的比较，灵感来自Infinera公司的图。

  如图3所示，PCS更频繁地使用低功耗的内部星座点，而较少使用外部星座点。这一特点提供了许多好处，包括提高对失真的容忍度，以及更容易根据具体的比特传输要求进行系统优化。如果你想了解更多，请阅读参考文献 [1], [2] 的解释。

  标准化和可重新配置的重要性

  像FEC和PCS这样的算法通常都是专利技术。设备和元件制造商对其算法严加保护，因为它们提供了关键的竞争优势。然而，这往往意味着来自不同供应商的相干收发器不能相互操作，整个网络部署必须使用同一个供应商。

  随着时间的推移，相干收发器越来越需要具有互操作性，导致了这些算法的一些标准化。例如，用于数据中心互连的400ZR标准使用一种公共算法，称为串联FEC（CFEC）。相比之下，一些400ZR+MSA标准使用开放的FEC（oFEC），它以多一点的带宽和能源消耗为代价，提供更多的延伸。对于最长的可能链路长度（500公里以上），专有的FEC成为400G传输的必要条件。不过，至少公共的FEC标准已经实现了400G收发器市场中很大一部分的互操作性。也许在未来，这可能会发生在PCS方法上。

  未来的DSP可以在不同的算法和方法之间切换，以适应网络性能和使用情况。例如，让我们看看升级一条650公里长的地铁链路的案例，该链路以100Gbps的速度运行，采用开放式FEC。运营商需要将该链路的容量提高到400Gbps，但开放式FEC可能难以提供必要的链路性能。然而，如果DSP可以被重新配置为使用专有的FEC标准，收发器将能够处理这个升级的链路。同样，如果DSP激活其PCS功能，可以实现更远的距离。

表1：400G可插拔收发器的不同用例和标准的汇总

  总结

  可以说，整个通信技术领域可以用一个问题来概括：我们如何才能在尽可能长的距离内将更多的信息传输到一个单一的频率限制信号中？

  DSP开发人员有许多工具来回答这个问题，其中两个是FEC和PCS。这两种技术使相干链路对噪声的耐受性大大增强，并能扩大其覆盖范围。未来处理不同用例的可插拔收发器必须使用不同的编码、错误编码和调制方案，以适应不同的网络要求。

  在改进DSP并使其以更节能的方式传输更多的比特方面，未来仍有许多挑战。现在，EFFECT Photonics公司已经吸收了Viasat公司的相干DSP团队的人才和知识产权，我们希望这将为有利于正在进行的研究和开发，使收发器比以前更快、更持久。

  参考文献：

  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》

  逍遥科技 | 编译自  Effect Photonics