PAM4 signal at 56 GBaud emulated with the M8196A AWG-megatech

Getting up to Speed for Next Generation Data Transmission​

Source: MEGA Tech Magazine, Jul-Aug'18

เมื่อความต้องการอัตราการส่งและรับข้อมูลที่สูงขึ้น ประกอบกับความต้องการช่วงการทำงานที่กว้างและหลากหลายขึ้น (operational range) และมีความถี่ในการทำงานสูงขึ้น (bandwidth) จะยังคงเป็นแรงขับเคลื่อนในตลาดเทคโนโลยีการสื่อสารไปอีกสองสามปีข้างหน้า แต่อย่างไรก็ตาม การวิเคราะห์ข้อมูลขนาดใหญ่ (big data analysis) อาจไม่ได้ใช้ประโยชน์หรือใช้งานได้จริงอย่างเต็มที่ ถึงแม้ว่า จำนวนและขนาดของศูนย์กลางข้อมูลจะเพิ่มขึ้นมากมายแล้วก็ตาม หากมองในด้านหนึ่งแล้ว เราเหมือนจะกำลังเตรียมพร้อมรับมือกับข้อมูลที่จะทะลักเข้ามา ทั้งข้อมูลที่จัดเป็นระบบโครงสร้างและข้อมูลอิสระที่ยังไม่จัดเป็นระบบโครงสร้าง แต่อย่างไรก็ตาม โครงสร้างพื้นฐาน (infrastructure) ภายนอกก็ต้องปรับตัวตามเพื่อให้สามารถรองรับข้อมูลขนาดใหญ่ได้อย่างมีประสิทธิภาพ คำถามหลักที่ต้องตอบ ณ ที่นี้ คือ จะเข้าถึงข้อมูลในอัตรา 400 Gb/s และ 1 Tb/s ในเครือข่ายที่มีอยู่ได้อย่างไร งานวิจัยเพื่อหารูปแบบสัญญาณที่เหมาะสม จึงต้องมาพร้อมกับความต้องการทดสอบในระบบใหม่ เพื่อตรวจสอบแนวคิดและการออกแบบเครื่องมือใหม่ๆ ให้อยู่ในสถานการณ์ทางสัญญาณที่เป็นจริงได้​

 

ทำความรู้จักกับระบบส่งข้อมูลนำแสงแบบอาพันธ์ความเร็วสูง (High-Speed Coherent Optical Transmission)

 

ปัจจุบัน อุตสาหกรรมได้ใช้ระบบสื่อสารส่งข้อมูลนำแสงแบบอาพันธ์ (coherent optical) แล้วเป็นจำนวนมาก ซึ่งต้องใช้การควบสัญญาณ (modulation scheme) ขั้นสูง เพื่อตอบสนองกับความต้องการการส่งข้อมูลที่มากขึ้นอย่างเห็นได้ชัด วิธีการแก้ปัญหาแบบนี้ ย่อมต้องมาพร้อมกับความต้องการใหม่ๆ ซึ่งเราต้องทำความเข้าใจจุดเชื่อมโยงการสื่อสารทั้งหมด ตั้งแต่เครื่องส่ง (transmitter) ผ่านสายไฟเบอร์ (fiber cable) และองค์ประกอบต่างๆของเครือข่าย (network elements) จนไปถึงเครื่องรับ (receiver) การออกแบบเครือข่ายต้องเสถียร เพื่อไม่ให้ข้อมูลบิดเบือนและเกิดปัญหาระหว่างจุดเชื่อมโยง ในช่วง 20 ปีที่ผ่านมา ชุมชน RF ในอุตสาหกรรมโมบายได้เคยแก้ปัญหาคล้ายกันนี้มาแล้ว ดังนั้นชุมชน optical ก็สามารถนำเทคโนโลยีต่างๆ จาก RF มาใช้เพื่อให้สอดคล้องกับความต้องการของ optical ที่พิเศษไปกว่าเดิมได้ ทางแก้นั้นก็คือ การกล้ำสัญญาณ (modulation  ว่าเดิมได้ ทางแก้นั้นก็คือ ใช้ ่อน ดังนั้นชุมชน ิดปัญหาระหว่างจุดเชื่อมโยง ชุบบนี้ ย่อมต้องมาพร้อมกับความต้องการใหม่ๆscheme) ที่ส่งข้อมูลต่อแบนด์วิธมากกว่าการเปิดปิดแสงซึ่งเป็นวิธีที่ใช้กันโดยทั่วไป (การควบสัญญาณแบบ RZ หรือ ป็นวิธีที่ใช้กันโดยทั่วไป (การกล้ำสัญญาณแบบ NRZ)

 

ด้วยวิธีการดังกล่าว เราสามารถเพิ่มประสิทธิภาพและอัตราการส่งข้อมูลได้ แต่ต้องมีค่าใช้จ่ายเรื่องฮาร์ดแวร์ที่ซับซ้อนกว่าเดิม และต้องประมวลสัญญาณดิจิตัลเพิ่มเติม ซึ่งหมายความว่า ต้องใช้ระบบทดสอบความถี่สูง ช่วงความถี่กว้างกว่าเดิม และต้องใช้ระบบความเร็วสูง ซึ่งสามารถทำให้เกิดการกล้ำสัญญาณได้ตามที่ต้องการ เพื่อใช้ทดสอบเครื่องมือในสถานการณ์จริง การพัฒนาระบบส่งข้อมูลนำแสงแบบอาพันธ์ (coherent optical) รุ่น 100 G+ และระบบย่อยทั้งหลาย จึงต้องการความคล่องตัวมากขึ้นเรื่อยๆ เพื่อให้สามารถสร้างสัญญาณกล้ำที่ไม่มีอะไรเจือปน และสัญญาณทดสอบที่บิดเบือนไป

Coherent optical transmitter measurement setup-megatech

Coherent optical transmitter measurement setup​

เครื่องกำเนิดคลื่น M89196A (arbitrary waveform generator) ให้ความคล่องตัวในการสร้างสัญญาณที่จำเป็นต่อการส่งแบบอาพันธ์ที่มี dual polarization (BPSK, QPSK, PAM4, PAM8, QAM จนถึง QAM256), รวมทั้ง orthogonal frequency division multiplexing หรือ OFDM รวมทั้ง time-domain pulse shaping และอื่นๆ อีก ที่มีอัตราข้อมูลประมาณ 64 GBaud และมากกว่านั้น. นอกจากนี้ ยังสามารถเพิ่มความผิดปกติทั้งแบบ linear และ non-linear ให้กับสัญญาณได้ ด้วยอัตราตัวอย่าง (sample rate) สูงถึง 92 GSa/s กับแบนด์วิธอะนาล็อก 32 GHz (analog bandwidth)  และมีช่องสัญญาณมากถึง 4 ช่องพร้อมกันในโมดูล AXIe เดียว เพื่อสร้างสัญญาณ I/Q อิสระ 2 สัญญาณ จึงทำให้ เครื่อง M8196A AWG เป็นเครื่องที่ดีพร้อมสำหรับการทดสอบระบบส่งข้อมูลนำแสงแบบอาพันธ์ความเร็วสูง (high-speed coherent optical transmission). ภาพที่ 1 แสดงให้เห็นถึงวิธีการกำหนดค่าทดสอบสำหรับระบบส่งข้อมูลนำแสงแบบอาพันธ์ความเร็วสูง

 

เครื่อง M8196A AWG นำมาใช้ในที่นี้ เพื่อสร้างสัญญาณกล้ำแบบซ้ำซ้อน (complex modulated signal) ซึ่งทุกๆ 2 polarization planes จะต้องใช้ I/Q pair 1 ชุด นั่นหมายความว่า ตัวแปลงดิจิตัลไปอนาล็อก (DAC1) และ DAC2 จะขับเคลื่อนเครื่องกล้ำสัญญาณ (modulators) ให้กับขั้วแนว x (แนวนอน) DAC3 และ DAC4 จะใช้เพื่อกระตุ้นเครื่องกล้ำสัญญาณให้กับขั้วแนว y (แนวตั้ง) แต่ก็ต้องมี linear driver amplifier เพิ่มเพื่อเร่งระดับของการส่งออกจากเครื่อง AWG โดยขึ้นอยู่กับว่าเครื่องกล้ำสัญญาณ Mach-Zehnder modulator (MZM) ที่ใช้ในระหว่างตั้งค่า และยังใช้เครื่อง Erbium doped fiber amplifier (EDFA) เพื่อเพิ่มสัญญาณก่อนส่งไปยังเส้นใยแก้วนำแสงที่ยาวกว่าเดิม และอาจจะต้องใช้ fiber amplifier อีกตัวที่ปลายเส้นใยแก้วนำแสงเพื่อเพิ่มสัญญาณและชดเชยกับสัญญาณที่อ่อนลง (ขึ้นอยู่กับความยาวของเส้นใยแก้วด้วย) ในขณะเดียวกัน ตัวรับแบบอาพันธ์ (coherent receiver) ก็ใช้เพื่อรับสัญญาณ และแหล่งเลเซอร์ที่ปรับทูนได้ตัวที่สอง (second tunable laser source) ก็ใช้เป็นเครื่องสร้างกระแสไฟฟ้า (oscillator) ภายในสำหรับเครื่องรับแบบอาพันธ์

Spectrum for 6GBits-s NRZ & 12GBits-s PAM4-megatech

Spectrum for 6GBits/s NRZ & 12GBits/s PAM4​

เนื่องจากอุปกรณ์และจุดเชื่อมต่อ (interface) มีความเร็วและความซับซ้อนมากกว่าเดิม เครื่อง M8196A AWG จึงเป็นเครื่องที่ให้ความยืดหยุ่นกับคุณในการสร้างสัญญาณที่คุณต้องการสำหรับงานทางด้านดิจิตัลในการสื่อสารแบบไฟฟ้าและแบบใยแก้วนำแสง สามารถคาลิเบทเครื่องด้วยตัวเอง (out-of-the-box and in-situ calibration) และการบิดเบือนสัญญาณก่อน (signal pre-distortion) จะทำให้เกิดสัญญาณที่ไม่มีอะไรเจือปน ถึงแม้ว่าจะใช้อัตราข้อมูลสูงสุดก็ตาม คุณสมบัติในการทำงานนี้เองที่ทำให้วิศวกรสามารถวัดไว้อย่างแม่นยำและวัดซ้ำได้ เมื่อพวกเขาต้องทำงานกับจุดเชื่อมต่อดิจิตัลแบบหลายช่อง หลายระดับ และแบบไบนารี (binary and multilevel, multichannel digital interface) และต้องทำงานกับการสื่อสารแบบแถบกว้าง (wideband) และแบบนำแสงอาพันธ์ (coherent optical)

 

ความยืดหยุ่นและคุณสมบัติที่มีในเครื่องดังกล่าว ทำให้เราสามารถใช้มันได้หลายอย่าง เมื่อใช้ร่วมกับซอฟต์แวร์ของเครื่องสร้างการกล้ำสัญญาณแบบนำแสง 81195A จะทำให้การจำลองค่าพารามิเตอร์สัญญาณ (signal parameter) และการบิดเบือนเป็นเรื่องง่ายกว่าเดิม

QAM128 signal emulated with the M8196A AWG at 32 GBaud-megatech

QAM128 signal emulated with the M8196A AWG at 32 GBaud​

The demand for higher data rates, bandwidth and wider operational ranges will continue to be the reliable driver of the communication market for the next few years. Big data analysis has not tapped its full potential yet. The number and size of data centers is growing tremendously. On this side we seem to be prepared for the avalanche of structured and unstructured data. However, the infrastruc­ture outside needs to adjust in order to be able to provide higher data capacities. A major question that needs to be answered here is how data rates of 400 Gb/s and 1Tb/s can be reached on existing networks. The research for suitable signal formats comes along with new test needs for validating the concepts and new device designs with realistic signal scenarios.

 

Characterizing High-Speed Coherent Optical Transmission Systems

 

To accommodate the higher data rates into the existing fiber optical infrastructure and their al­located frequency bands, new modulation formats have to be considered for increasing spectral efficiency.

 

The industry has already largely adopted coherent optical transmission communication systems, which use advanced modulation schemes, to address the explosive demand for data transportation. This solution comes with some new requirements, which need to be understood along the whole communication link from the transmitter, through fiber cable and network elements to the receiver. The network design needs to be robust against signal distortions and link impairments. The RF community in the mobile industry has solved similar problems in the last two decades. So the optical community is able to leverage these technologies from the RF world and adopt them to the special optical requirements. The solution is to use modulation schemes that transmit more information per bandwidth than the traditional on- and off-switch­ing of the light (RZ or NRZ modulation). Thus, the spectral efficiency and the transmission rate can be increased at the cost of more complex hardware and additional digital signal processing. This demands for a high-speed, wider-bandwidth and high-frequency test system which can generate the desired modulation schemes as needed to test devices under the real world scenarios. The latest developments in 100 G+ coherent optical transmission systems and sub-systems also require more and more flexibility to generate clean modulated signals as well as distorted test signals.

 

The M8196A arbitrary waveform generator gives the versatility to create the signals needed for dual polarization coherent transmission (BPSK, QPSK, PAM4, PAM8, QAM up to QAM256), orthogonal frequency division multiplexing (OFDM), time-domain pulse shaping and more with data rates of 64 GBaud and beyond. Also linear and non-linear impairments can be added to the signal. With sample rates of up to 92 GSa/s with 32 GHz analog bandwidth and up to 4 channels simultaneously in one single AXIe module for emulating 2 independent I/Q signals, the M8196A AWG provides an excellent platform for testing high-speed coherent optical transmission systems. Figure 1 shows the typical test setup for high-speed coherent optical transmission systems.

 

The M8196A AWG is used here to generate the complex modulated signal. For each of the two polarization planes one I/Q pair is needed. That means that digital-to-analog converter 1 (DAC1) and DAC2 drive the modulators for the x- (or horizontal) polarization, DAC3 and DAC4 are used to stimulate the modulators for the y- (or vertical) polarization. Additional linear driver amplifiers are required to boost the output level of the AWG depending on the Mach-Zehnder modulators (MZM) used for the setup. An Erbium doped fiber amplifier (EDFA) is used to boost the signal before it is sent into a longer fiber. Depending on the length of the fiber an additional fiber amplifier may be used at the end of the fiber to boost the signal and compensate for the fiber attenuation. A coherent receiver is used to receive the signal. The second tunable laser source is used as a local oscillator for the coherent receiver.

 

As devices and interfaces become faster and more complex, the M8196A AWG gives you the versatility to create the signals you need for digital applications in optical and electrical communication. Out-of-the-box and in-situ calibration and signal pre-distortion methods allow generation of exceptionally clean signals even at the highest data rates. This unique function­ality allows engineers to make reliable, repeatable measurements when they are working on binary and multilevel, multichannel digital interfaces as well as coherent optical and wideband communication applications.

 

Flexibility and features available on this platform enable it to use it for a wider range of appli­cations. In conjunction with the 81195A optical modulation generator software, emulation of signal parameters and distortions is further simplified.

Getting up to Speed for Next Generation Data Transmission​

© 2018 Advance Industry Media Plus Co., Ltd. All Rights Reserved.​​

Advance Industry Media Plus Co., Ltd.
1104/339 Pattanakarn Road Suanluang, Suanluang, Bangkok, 10250 Thailand

Tel. +66 2136 1406-7

Fax. +66 2187 2899

www.aimplus.co.th   

info@aimplus.co.th​

Ms. Khemruji Pruankaewmanee

Tel: +66 2 136 1406-7
Email: khemruji@aimplus.co.th​

aimplus.co.th

Reader voices

Advertisers

Subscribe

ADVERTISE WITH US 

LINKS

FOLLOW US ON SOCIAL MEDIA

megatech magazine, industry 4.0 manufacturing, business matching
megatech magazine, industry 4.0 manufacturing, business matching
megatech magazine, industry 4.0 manufacturing, business matching
www.digigate.co.th