NRZ, PAM4 e o DSP: retimers, gearboxes, LPO, coerente

Até 25G por lane, um transceptor movia bits ligando e desligando um laser e lendo o resultado com um comparador. Além disso, a óptica não conseguia ficar mais rápida de forma barata, então a indústria fez cada símbolo carregar mais informação — PAM4 — e colocou um processador de sinal digital (DSP) no módulo para tornar legível uma forma de onda ruidosa de quatro níveis. Hoje o DSP domina a potência, o custo e a latência dos módulos de 400G+, e é por isso que os projetos mais recentes tentam removê-lo de novo (LPO) ou movê-lo para mais fundo (coerente). Esta página explica o que a cadeia de processamento de sinal faz e o que cada variante significa para hosts e diagnósticos.

Formatos de modulação

Formato	Bits por símbolo	Exemplos de lane	Necessidades do receptor	Penalidade vs. NRZ
NRZ (ligado/desligado, 2 níveis)	1	1G, 10G, 25G, 40G (4×10), 100G (4×25)	amplificador limitador + CDR	—
PAM4 (4 níveis)	2	50G, 100G, 200G por lane; 400G (8×50 ou 4×100), 800G	front end linear, ADC, equalizador DSP; RS-FEC obrigatório	≈ 9,5 dB a menos de abertura do olho → exige FEC e equalização
Coerente (QPSK, 8QAM, 16QAM em duas polarizações)	4–8 por símbolo	100G–800G por comprimento de onda (ZR, ZR+)	laser oscilador local, híbrido de 90°, PDs balanceados, ADC de 4 canais + DSP pesado + FEC	grande vantagem de OSNR em enlaces longos

A qualidade do olho em PAM4 é medida como TDECQ (fechamento quaternário do olho por dispersão do transmissor) em vez de uma máscara simples — um valor derivado do DSP que indica o quanto um equalizador de referência precisa trabalhar para recuperar os níveis. Padrões e pareamento com FEC: FEC, AN & treinamento de enlace.

O que o DSP faz

lanes do host ─► SerDes Rx ─► (retemporizar) ─► gearbox ─► DAC ─► driver ─► laser/modulador
fibra ─► PD/TIA (linear) ─► ADC ─► equalizador CTLE/FFE/DFE ─► slicer ─► (FEC em coerente) ─► gearbox ─► SerDes Tx ─► host

Função	Finalidade	Notas
Retemporização	clock limpo dos dois lados — a função do CDR, absorvida pelo DSP	CDR
Equalização — CTLE, FFE, DFE, às vezes MLSE	desfaz os limites de largura de banda do laser, do fotodiodo, da fibra e das trilhas da PCB para que os quatro níveis voltem a se separar	adaptativa; converge em ms na ativação do enlace
Gearbox	muda a contagem de lanes: 8 × 50G PAM4 do host ↔ 4 × 100G PAM4 para a óptica (400G DR4/FR4); 4 × 25G NRZ ↔ 2 × 50G PAM4 (100G DR)	por que um módulo de 400G tem 8 lanes elétricas e 4 ópticas
Pré-distorção / conformação do driver	compensa a não linearidade do laser para que os quatro níveis fiquem igualmente espaçados	ajustada por módulo na produção
Monitoramento	estimativa de BER pré-FEC, SNR, métricas de olho — a origem do VDM do CMIS	Métricas de VDM e FEC
FEC (somente coerente)	oFEC / CFEC dentro do módulo; módulos Ethernet deixam o RS-FEC a cargo do host	400ZR: CFEC; OpenZR+: oFEC

Custo: um DSP de 400G consome 3–6 W (metade do orçamento do módulo), acrescenta ~50–100 ns de latência e dezenas de dólares. Ele também fixa o módulo às aplicações para as quais foi projetado — daí o modelo de aplicações do CMIS (CMIS).

Retemporizado, linear, semirretemporizado

Arquitetura	O módulo contém	Potência (classe 400G)	Requisito do host	Situação
DSP / totalmente retemporizado	ADC, DSP, DAC nas duas direções	8–12 W	qualquer host compatível — o módulo apresenta uma interface limpa	400G/800G predominante
LPO — óptica plugável linear	apenas driver + TIA linear; sem DSP, sem CDR	4–6 W	o SerDes do host precisa equalizar todo o canal, incluindo a óptica; exige um ASIC capaz e ajuste por enlace	enlaces curtos de IA/HPC; LPO MSA (2023+)
LRO / HALO — semirretemporizado	DSP apenas no lado Tx (host→óptica)	6–8 W	intermediário	solução de compromisso emergente
CPO — óptica co-empacotada	óptica no encapsulamento do ASIC do switch; sem plugável	menor por bit	novos projetos de switch	implantações iniciais

Para o diagnóstico essa diferença importa: um módulo LPO não tem DSP para reportar BER pré-FEC ou SNR, então os contadores de FEC do host são a única visão em nível de bit, e a qualidade do enlace depende tanto dos ajustes do equalizador do host quanto da óptica.

Módulos coerentes em resumo

Um QSFP-DD ou OSFP 400ZR/ZR+ contém um laser sintonizável (nano-ITLA) usado tanto como fonte do transmissor quanto como oscilador local, um modulador IQ (quatro seções Mach-Zehnder, em fotônica de silício ou InP) acionado pelos DACs do DSP, um receptor coerente integrado (híbrido de 90°, fotodiodos balanceados, TIAs) e um DSP que faz compensação de dispersão cromática, demultiplexação de polarização, recuperação de portadora e FEC — um antigo transponder de placa de linha em 15–20 W. Seus monitores (OSNR, CD, DGD, fator Q, potência do sinal Rx) aparecem no VDM do CMIS (Coerente e longa distância).

Módulos NRZ: a cadeia clássica

Nos módulos de 1G–25G a cadeia é curta — driver, laser, fotodiodo, TIA, amplificador limitador, CDR opcional — e tudo nela é analógico. A flexibilidade de taxa vem do bypass do CDR ou da comutação de largura de banda por rate select (Rate select); o diagnóstico se resume à potência Rx e aos contadores de CRC/FEC do host; a latência é de alguns nanossegundos. Essa simplicidade é a razão pela qual a óptica de 10G e 25G continua barata e ainda é a maior parte do que os programadores veem.

Consequências do lado do host

Tópico	Módulo NRZ	Módulo PAM4 com DSP	LPO
Ativação do enlace	imediata	convergência do DSP + inicialização do caminho de dados do CMIS (centenas de ms a segundos)	treinamento do equalizador do host
FEC	opcional/host	RS-FEC obrigatório (host)	RS-FEC obrigatório (host)
Breakout	por lane, se a óptica for paralela	apenas aplicações anunciadas	depende do host
Classe de potência	1–3	4–7 (QSFP28 LR4) / CMIS 5–8	CMIS 3–5
Risco de interoperabilidade	baixo	ajustes de DSP do host/módulo, versão do CMIS	alto — ajuste do host por tipo de módulo

Ativação e falhas: O que o host faz, Problemas de CMIS, Velocidade e taxa.

No CodingBox

A identidade diz qual cadeia um módulo tem: códigos de codificação NRZ vs. PAM4, bits de CDR, aplicações CMIS com seus IDs de interface de host e de mídia, e a classe de potência que denuncia um DSP. Para módulos CMIS, a tela DDM acrescenta a visão própria do DSP — BER pré-FEC e SNR do VDM por lane — ao lado dos monitores ópticos clássicos.

O lado elétrico dos módulos LPO e DSP — pontos de conformidade C2M, OIF CEI-112G-Linear, quem equaliza o quê em cada geração: XGMII, XAUI e a família AUI.

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