NRZ vs. PAM4

Die führenden Trends wie Cloud Computing und Big Data treiben das exponentielle Verkehrswachstum und den Aufstieg von 400G Ethernet voran. Die Netzwerke von Rechenzentren sehen sich mit einer größeren Nachfrage nach Bandbreite konfrontiert. Zudem sind für die Infrastruktur innovative Technologien erforderlich, um die wandelnden Anforderungen zu erfüllen. Derzeit werden zwei verschiedene Signalmodulationstechniken für das Ethernet der nächsten Generation untersucht: Non-Return-to-Zero (NRZ) und Puls-Amplituden-Modulation 4-Level (PAM4). In diesem Artikel werden diese beiden Modulationsverfahren vorgestellt und miteinander verglichen, um die optimale Wahl für 400G Ethernet zu finden.

NRZ- und PAM4-Grundlagen

NRZ ist eine Modulationstechnik, die zwei Signalstufen verwendet, um die 1/0-Information eines digitalen Logiksignals darzustellen. Logisch 0 ist eine negative Spannung, und logisch 1 ist eine positive Spannung. In jeder Taktperiode kann ein Bit der logischen Information gesendet oder empfangen werden. Die Baudrate, also die Geschwindigkeit, mit der sich ein Symbol ändern kann, entspricht der Bitrate für NRZ-Signale.

PAM4 ist eine Technologie, die vier verschiedene Signalstufen für die Signalübertragung verwendet, wobei jede Symbolperiode 2 Bits logischer Information (0, 1, 2, 3) darstellt. Um dies zu erreichen, hat die Wellenform 4 verschiedene Pegel, die 2 Bits tragen: 00, 01, 10 oder 11, wie unten dargestellt. Bei zwei Bits pro Symbol ist die Baudrate die Hälfte der Bitrate.

NRZ vs. PAM4

Bitrate

Eine Übertragung mit NRZ-Mechanismus hat die gleiche Baudrate und Bitrate, da ein Symbol ein Bit übertragen kann. Eine Bitrate von 28 Gbps (Gigabit pro Sekunde) entspricht einer Baudrate von 28 GBdps (Gigabaud pro Sekunde). Da PAM4 jedoch 2 Bits pro Symbol überträgt, wird eine 56-Gbps-PAM4-Leitung mit 28 GBdps übertragen. Daher verdoppelt PAM4 die Bitrate für eine gegebene Baudrate gegenüber NRZ, was eine höhere Effizienz für optische Hochgeschwindigkeitsübertragungen wie 400 Gbit/s bedeutet. Genauer gesagt kann eine Ethernet-Schnittstelle mit 400 Gbit/s mit acht Spuren bei 50 Gbit/s oder vier Spuren bei 100 Gbit/s unter Verwendung von PAM4-Modulation realisiert werden.

Signalverlust

Mit PAM4 können doppelt so viele Informationen pro Symbolzyklus übertragen werden wie mit NRZ. Daher hat PAM4 bei gleicher Bitrate nur die halbe Baudrate (auch Symbolrate genannt) des NRZ-Signals, so dass der durch den Übertragungskanal verursachte Signalverlust bei der PAM4-Signalübertragung stark reduziert ist. Dieser entscheidende Vorteil von PAM4 ermöglicht die Nutzung bestehender Kanäle und Verbindungen mit höheren Bitraten, ohne die Baudrate zu verdoppeln und den Kanalverlust zu erhöhen.

SNR (Signal-Rausch-Verhältnis) und BER (Bitfehlerrate)

Die folgende Abbildung zeigt, dass die Augenhöhe bei PAM4 nur 1/3 der Augenhöhe bei NRZ beträgt. Dadurch erhöht sich das SNR (Signal-Rausch-Verhältnis) bei PAM4 um -9,54 dB (Link Budget Penalty), was sich auf die Signalqualität auswirkt und zusätzliche Einschränkungen bei der Hochgeschwindigkeitssignalisierung mit sich bringt. Die um 33 % kleinere vertikale Augenöffnung macht die PAM4-Signalübertragung empfindlicher gegenüber Rauschen, was zu einer höheren Bitfehlerrate führt. PAM4 wurde jedoch durch die Vorwärtsfehlerkorrektur (FEC) ermöglicht, die dem Link-System helfen kann, die gewünschte BER zu erreichen.

Stromverbrauch

Die Reduzierung der Bitfehlerrate in einem PAM4-Kanal erfordert eine Entzerrung am Rx-Ende und eine Vorkompensation am Tx-Ende, die beide bei einer gegebenen Taktrate mehr Strom verbrauchen als die NRZ-Verbindung. Das bedeutet, dass PAM4-Transceiver an jedem Ende der Verbindung mehr Wärme erzeugen. Die neue, hochmoderne Silizium-Photonik (SiPh)-Plattform kann jedoch den Energieverbrauch effektiv reduzieren und in 400G-Transceivern eingesetzt werden. Der FS Silizium-Photonik-400G-Transceiver beispielsweise kombiniert SiPh-Chips und PAM4-Signalübertragung und ist damit eine kostengünstige Lösung mit geringerem Energieverbrauch für 400G-Rechenzentren.

Umstellung von NRZ auf PAM4 für 400G Ethernet

Angesichts der großen Datenmengen, die weltweit übertragen werden, streben viele Unternehmen eine Migration zu 400G an. Ursprünglich wurde für 400G-Ethernet die 16× 25G-Baudrate NRZ verwendet, wie z. B. 400G-SR16, aber der Verbindungsverlust und die Größe des Schemas können die Anforderungen von 400G-Ethernet nicht erfüllen. Während PAM4 höhere Bitraten bei halber Baudrate ermöglicht, können die Entwickler die vorhandenen Kanäle bei potenziellen 400G-Ethernet-Datenraten weiter nutzen. Infolgedessen hat PAM4 NRZ als bevorzugte Modulationsmethode für die elektrische oder optische Signalübertragung in optischen 400G-Modulen überholt.