차세대 25 50G PON 전기 필터 형상의 영향

초록

본 논문은 25 Gb/s·50 Gb/s 고속 PON 트랜시버에서 전기 필터의 주파수 응답 형태가 PAM‑2, PAM‑4, 전기·광 듀오바이너리 등 주요 변조 방식의 성능에 미치는 영향을 정량적으로 분석한다. -3 dB 대역폭만으로는 충분히 트랜시버를 설계할 수 없으며, -20 dB 대역폭 등 대역 외 특성까지 고려해야 최적 성능을 확보할 수 있음을 시뮬레이션 결과로 제시한다.

상세 분석

논문은 차세대 고속 PON(HS‑PON) 시스템에서 25 Gb/s와 50 Gb/s 전송을 목표로 하는 트랜시버 설계 시, 전기 회로의 주파수 응답이 변조 방식별 BER(Bit Error Rate) 성능에 미치는 영향을 체계적으로 조사한다. 먼저, 전형적인 -3 dB 대역폭(BW3) 사양만으로는 필터의 실제 전달 특성을 충분히 설명하지 못한다는 점을 강조한다. 실제 회로에서는 -20 dB 대역폭(BW20)과 같은 대역 외 감쇠 특성이 존재하며, 이는 고주파 성분을 얼마나 보존하거나 차단하는지를 결정한다. 고주파 성분은 특히 PAM‑4와 듀오바이너리와 같은 다중 레벨 변조에서 눈에 띄게 중요한데, 이들 변조는 신호의 스펙트럼이 넓어 대역 외 감쇠가 심하면 눈에 띄는 ISI(Inter‑Symbol Interference)와 잡음 증폭을 초래한다.

시뮬레이션 환경은 전형적인 10 km 무시광섬유 전송, 0 dB 전송 손실, 그리고 전기/광 잡음 모델을 포함한다. 수신단에서는 적응형 선형 등화기(FIR)와 결정적 타이밍 회복을 적용해 실용적인 수신 구조를 구현하였다. 변조 방식별로 BW3와 BW20을 독립적으로 변화시키면서 BER을 측정했으며, 결과를 정규화된 2차원 그래프로 제시한다.

주요 발견은 다음과 같다. 첫째, PAM‑2는 대역폭이 충분히 넓을 경우 BW3만으로도 충분히 좋은 성능을 보이지만, BW20이 급격히 감소하면 고주파 성분 손실로 인해 눈에 띄는 성능 저하가 발생한다. 둘째, PAM‑4는 BW3가 동일하더라도 BW20이 0.7·BW3 이하로 떨어지면 BER이 급격히 상승한다. 이는 PAM‑4가 4레벨 신호를 구분하기 위해 고주파 성분에 크게 의존하기 때문이다. 셋째, 전기 듀오바이너리(EDB)와 광 듀오바이너리(ODB)는 각각 전기와 광 단계에서 위상 전이를 이용해 스펙트럼을 압축하므로, BW20에 대한 민감도가 PAM‑4보다 낮다. 특히 ODB는 광 필터링 효과와 결합돼 BW20이 다소 낮아도 비교적 안정적인 BER을 유지한다. 넷째, 적응형 등화기의 존재에도 불구하고 BW20이 지나치게 좁으면 등화기 자체가 불안정해지며, 수렴 속도가 저하되고 최종 BER이 목표값(10⁻⁹ 수준) 이하로 떨어지지 않는다.

이러한 결과는 트랜시버 설계 시 -3 dB 대역폭 사양만을 기준으로 부품을 선정하면, 실제 시스템에서 기대 이하의 성능을 초래할 위험이 있음을 경고한다. 설계자는 BW20을 포함한 전체 주파수 응답 곡선을 명시하고, 특히 고주파 감쇠가 20 dB 이하가 되도록 필터 설계 기준을 강화해야 한다. 또한, 변조 방식 선택 시 BW20에 대한 내성을 고려해 PAM‑2 혹은 듀오바이너리 계열을 우선 검토하고, PAM‑4를 적용하려면 고품질의 고주파 회로와 충분한 대역폭 여유가 필요함을 시사한다.