Welchen Nutzen bringt 3R / CDR / Clock-Data Recovery

Sven Tron 2. Jan 2017

Wie bereits im Beitrag Die Geschichte / Technische Details zu DWDM SFP+ erwähnt, gibt es Transceiver mit integrierter CDR Funktion (z.B. XFPs) und jene ohne (z.B. SFP+). Folgende Fragen stellt Ihr Euch nun wahrscheinlich:

Wofür steht nun CDR?
Wofür wird eine CDR genutzt?
Wann muss ich Transceiver mit CDR einsetzen?
Welchen Vorteil bringt eine CDR mit sich?

Wofür steht CDR?

CDR steht für die englischen Wörter Clock-Data-Recovery, also eine Takt- und Datenrückgewinning.

Wofür wird eine CDR genutzt?

Bei der Übertragung von optischen Signalen über eine Glasfaser, wird das Signal durch physikalische Einflüsse in seinen Eigenschaften verändert. Durch die Länge einer Strecke ergeben sich Signallaufzeiten. Weil eine Glasfaser eine gewisse Dämpfung aufweist, wird das Signal zusätzlich abgeschwächt. Außerdem dazu treten lineare und nichtlineare Effekte in der Glasfaser auf, welche das Signal aus seiner Form bringen (verzerren).
Um diesen Effekten nun entgegenzuwirken wird eine 3R-Regeneration genutzt:

Re-Aplification (Verstärkung des Signals)
Re-Shaping (entzerren, Normalform herstellen)
Re-Timing (Zeitversatz ausgleichen)

Die beiden ersten Schritte werden bei Standard Transceivern bereits durch den integrierten Limiting Amplifier (*1) in Empfangsrichtung durchgeführt. Für das Re-Timing kommt ein zusätzlicher CDR Chipsatz im Transceiver zum Einsatz.

Wann muss ich Transceiver mit CDR einsetzen?

Die Frage stellt sich erst seit Einführung von SFP+ Modulen.
Kurze Zusammenfassung: Der XFP beinhaltet eine CDR Funktion gemäß MSA-Standard. Um den SFP+ kostengünstiger und kleiner zu gestalten wurde diese Funktion aus dem Transceiver ausgelagert und soll nun im entsprechenden Endgerät direkt nach dem SFP+ Steckplatz realisiert werden. Dies macht wiederum die Endgeräte teurer. Eine 2R-Regeneration (Re-Amplification, Re-Shaping) ist bereits im Transceiver vorhanden, somit ist es nicht zwingend erforderlich eine CDR Funktion zu implementieren. Dies reicht in der Regel aus, um Standard Links zu realisieren. Als Standard Links zählen zum Beispiel In-House Verkabelungen (Multimode), 10km, 20km und 40km Punkt-zu-Punkt Strecken.
Wird jedoch mit Wellenlängenmultiplex (DWDM), optischen Verstärkern gearbeitet oder auf langen Strecken übertragen, so sollte eine komplette 3R-Regeneration mit CDR Chipsatz entweder im DWDM-Transponder, Host-System oder Transceiver vorhanden sein. Die meisten DWDM Transponder-Systeme bringen diese Funktionalität bereits mit.

Welchen Vorteil bringt eine CDR mit sich?

Das Signal wird durch eine Vielzahl von Effekten, welche auf einem optisch verstärktem DWDM Link auftreten beeinflusst. Zur fehlerfreien Detektion hängen Parameter, wie

OSNR (optischen Signal-zu-Rauschverhältnis)
BER (Bit Fehlerrate)
Eingangspegel
Datenrate
Die Verschlechterung des Signals

voneinander ab. Eliminiert man den letzten Punkt durch Einsatz einer CDR (3R-Regeneration) und beachtet die restlichen Parameter bei einer Planung, so kann eine stabile und verlässliche DWDM Verbindung mit bis zu 80 Kanälen problemlos realisiert werden.
Hier sind unsere wichtigsten SFP+ mit CDR zu finden:

(*1) Elektronisches Bauteil, welches Signale auf eine Bestimmte Art verstärkt und "in form" bringt.