NRZ, PAM4 y el DSP: retimers, gearboxes, LPO, coherente

Hasta 25G por carril, un transceptor movía bits encendiendo y apagando un láser y leyendo el resultado con un comparador. Más allá de eso, la óptica no podía acelerarse de forma económica, así que la industria hizo que cada símbolo llevara más información — PAM4 — y puso un procesador de señal digital en el módulo para hacer legible una forma de onda ruidosa de cuatro niveles. El DSP domina ahora la potencia, el coste y la latencia de los módulos de 400G+, por lo que los diseños más recientes intentan eliminarlo de nuevo (LPO) o desplazarlo más adentro (coherente). Esta página explica qué hace la cadena de procesamiento de señal y qué significa cada variante para los hosts y el diagnóstico.

Formatos de modulación

Formato	Bits por símbolo	Ejemplos de carril	Necesidades del receptor	Penalización frente a NRZ
NRZ (encendido/apagado, 2 niveles)	1	1G, 10G, 25G, 40G (4×10), 100G (4×25)	amplificador limitador + CDR	—
PAM4 (4 niveles)	2	50G, 100G, 200G por carril; 400G (8×50 o 4×100), 800G	front end lineal, ADC, ecualizador DSP; RS-FEC obligatorio	≈ 9,5 dB menos apertura de ojo → necesita FEC y ecualización
Coherente (QPSK, 8QAM, 16QAM en dos polarizaciones)	4–8 por símbolo	100G–800G por longitud de onda (ZR, ZR+)	láser oscilador local, híbrido de 90°, PD balanceados, ADC de 4 canales + DSP intensivo + FEC	gran ventaja de OSNR en enlaces largos

La calidad del ojo en PAM4 se mide como TDECQ (transmitter dispersion eye closure quaternary) en lugar de con una simple máscara: una cifra derivada del DSP que indica cuánto debe trabajar un ecualizador de referencia para recuperar los niveles. Normas y emparejamiento con FEC: FEC, AN y entrenamiento de enlace.

Qué hace el DSP

carriles del host ─► SerDes Rx ─► (resincronización) ─► gearbox ─► DAC ─► controlador ─► láser/modulador
fibra ─► PD/TIA (lineal) ─► ADC ─► ecualizador CTLE/FFE/DFE ─► slicer ─► (FEC en coherente) ─► gearbox ─► SerDes Tx ─► host

Función	Finalidad	Notas
Resincronización	reloj limpio en ambos lados: la función del CDR, absorbida por el DSP	CDR
Ecualización — CTLE, FFE, DFE, a veces MLSE	revierte los límites de ancho de banda del láser, el fotodiodo, la fibra y las pistas de la PCB para que los cuatro niveles vuelvan a separarse	adaptativa; converge en ms durante el establecimiento del enlace
Gearbox	cambia el número de carriles: 8 × 50G PAM4 desde el host ↔ 4 × 100G PAM4 hacia la óptica (400G DR4/FR4); 4 × 25G NRZ ↔ 2 × 50G PAM4 (100G DR)	por qué un módulo de 400G tiene 8 carriles eléctricos y 4 ópticos
Predistorsión / conformado del controlador	compensa la no linealidad del láser para que los cuatro niveles queden espaciados de forma uniforme	ajustado por módulo en producción
Monitorización	estimación de BER previo a FEC, SNR, métricas de ojo: la fuente del VDM de CMIS	Métricas de VDM y FEC
FEC (solo coherente)	oFEC / CFEC dentro del módulo; los módulos Ethernet dejan el RS-FEC al host	400ZR: CFEC; OpenZR+: oFEC

Coste: un DSP de 400G consume 3–6 W (la mitad del presupuesto del módulo), añade ~50–100 ns de latencia y decenas de dólares. Además fija el módulo a las aplicaciones para las que fue diseñado, de ahí el modelo de aplicaciones de CMIS (CMIS).

Retemporizado, lineal, semirretemporizado

Arquitectura	El módulo contiene	Potencia (clase 400G)	Requisito del host	Estado
DSP / totalmente retemporizado	ADC, DSP, DAC en ambas direcciones	8–12 W	cualquier host compatible: el módulo presenta una interfaz limpia	habitual en 400G/800G
LPO — óptica enchufable lineal	solo controlador + TIA lineal; sin DSP, sin CDR	4–6 W	el SerDes del host debe ecualizar todo el canal, incluida la óptica; necesita un ASIC capaz y ajuste por enlace	enlaces cortos de IA/HPC; LPO MSA (2023+)
LRO / HALO — semirretemporizado	DSP solo en el lado Tx (host→óptica)	6–8 W	intermedio	compromiso emergente
CPO — óptica coempaquetada	óptica en el encapsulado del ASIC del conmutador; no es enchufable	el más bajo por bit	diseños de conmutadores nuevos	despliegues iniciales

Para el diagnóstico, la diferencia importa: un módulo LPO no tiene DSP que reporte el BER previo a FEC ni el SNR, así que los contadores de FEC del host son la única vista a nivel de bit, y la calidad del enlace depende tanto de los ajustes del ecualizador del host como de la óptica.

Módulos coherentes en breve

Un QSFP-DD u OSFP 400ZR/ZR+ contiene un láser sintonizable (nano-ITLA) que se usa tanto como fuente del transmisor como oscilador local, un modulador IQ (cuatro secciones Mach-Zehnder, fotónica de silicio o InP) impulsado por los DAC del DSP, un receptor coherente integrado (híbrido de 90°, fotodiodos balanceados, TIA) y un DSP que realiza compensación de dispersión cromática, demultiplexado de polarización, recuperación de portadora y FEC: un antiguo transpondedor de tarjeta de línea en 15–20 W. Sus monitores (OSNR, CD, DGD, factor Q, potencia de la señal Rx) aparecen en el VDM de CMIS (Coherente y larga distancia).

Módulos NRZ: la cadena clásica

En los módulos de 1G–25G la cadena es corta: controlador, láser, fotodiodo, TIA, amplificador limitador, CDR opcional, y todo en ella es analógico. La flexibilidad de velocidad proviene de la omisión del CDR o de la conmutación de ancho de banda por selección de velocidad (Rate select); el diagnóstico se basa en la potencia Rx y los contadores CRC/FEC del host; la latencia es de unos pocos nanosegundos. Esta simplicidad es la razón por la que la óptica de 10G y 25G sigue siendo barata y por la que sigue siendo la mayor parte de lo que ven los programadores.

Consecuencias para el host

Tema	Módulo NRZ	Módulo PAM4 DSP	LPO
Establecimiento del enlace	inmediato	convergencia del DSP + inicialización de la ruta de datos CMIS (cientos de ms a segundos)	entrenamiento del ecualizador del host
FEC	opcional/host	RS-FEC obligatorio (host)	RS-FEC obligatorio (host)
Breakout	por carril, si la óptica es paralela	solo aplicaciones anunciadas	depende del host
Clase de potencia	1–3	4–7 (QSFP28 LR4) / CMIS 5–8	CMIS 3–5
Riesgo de interoperabilidad	bajo	ajustes de DSP del host/módulo, versión de CMIS	alto: ajuste del host por tipo de módulo

Arranque y fallos: Qué hace el host, Problemas de CMIS, Velocidad y tasa.

En CodingBox

La identidad indica qué cadena tiene un módulo: los códigos de codificación NRZ frente a PAM4, los bits de CDR, las aplicaciones CMIS con sus identificadores de interfaz de host y de medio, y la clase de potencia que delata un DSP. Para los módulos CMIS, la pantalla DDM añade la propia vista del DSP: BER previo a FEC y SNR del VDM por carril, junto a los monitores ópticos clásicos.

El lado eléctrico de los módulos LPO y DSP — puntos de conformidad C2M, OIF CEI-112G-Linear, quién ecualiza qué en cada generación: XGMII, XAUI y la familia AUI.

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