Techniques de modulation NRZ et PAM4

Les tendances principales telles que l'informatique en nuage et le big data entraînent la croissance exponentielle du trafic et l'essor de l'Ethernet 400G. Les réseaux des centres de données sont confrontés à une demande de bande passante plus importante, et des technologies innovantes sont nécessaires pour que l'infrastructure puisse répondre à l'évolution de la demande.

Actuellement, il existe deux techniques différentes de modulation du signal envisagées pour la prochaine génération d'Ethernet : le non-retour à zéro (NRZ) et la modulation d'amplitude à 4 niveaux (PAM4). Cet article examine ces deux techniques de modulation et établit une comparaison afin de déterminer le choix optimal pour l'Ethernet 400G.

Principes de base de NRZ et PAM4

NRZ est une technique de modulation utilisant deux niveaux de signal pour représenter l'information 1/0 d'un signal logique numérique. Le niveau logique 0 correspond à une tension négative et le niveau logique 1 à une tension positive. Un bit d'information logique peut être transmis ou reçu dans chaque période d'horloge. Le débit en bauds, ou la vitesse à laquelle un symbole peut changer, est égal au débit binaire pour les signaux NRZ.

PAM4 est une technologie qui utilise quatre niveaux de signal différents pour la transmission du signal et chaque période de symbole représente 2 bits d'information logique (0, 1, 2, 3). Pour cela, la forme d'onde a 4 niveaux différents, portant 2 bits : 00, 01, 10 ou 11, comme indiqué ci-dessous. Avec deux bits par symbole, le débit en bauds est égal à la moitié du débit en bits.

Comparaison de NRZ et PAM4

Débit binaire

Une transmission avec le mécanisme NRZ aura le même débit en bauds et en bits car un symbole peut transporter un bit. Un débit binaire de 28Gbps (gigabit par seconde) équivaut à un débit binaire de 28GBdps (gigabaud par seconde). Cependant, étant donné que le PAM4 transporte 2 bits par symbole, un PAM4 de 56 Gbps aura une transmission de ligne à 28 Gbps. Par conséquent, PAM4 double le débit binaire pour une vitesse de transmission donnée par rapport à NRZ, ce qui apporte une plus grande efficacité pour les transmissions optiques à grande vitesse telles que le 400G. Pour être plus précis, une interface Ethernet de 400 Gbps peut être réalisée avec huit voies à 50Gbps ou quatre voies à 100Gbps en utilisant la modulation PAM4.

Perte de signal

PAM4 permet de transmettre deux fois plus d'informations par cycle de symbole que NRZ. Par conséquent, pour un même débit binaire, PAM4 n'a que la moitié du débit en bauds, également appelé débit de symboles, du signal NRZ, de sorte que la perte de signal causée par le canal de transmission dans la signalisation PAM4 est considérablement réduite. Cet avantage déterminant du PAM4 permet d'utiliser les canaux et les interconnexions existants à des débits binaires plus élevés sans doubler la vitesse de transmission et augmenter la perte de canal.

Rapport signal/bruit (SNR) et taux d'erreur binaire (BER)

Sur la figure suivante, la hauteur de l'œil pour le PAM4 est 1/3 de celle du NRZ, ce qui fait que le PAM4 augmente le SNR (Signal-Noise Ratio) de -9,54 dB (Link Budget Penalty), ce qui a un impact sur la qualité du signal et introduit des contraintes supplémentaires dans la signalisation à haut débit. La réduction de 33 % de l'ouverture de l'œil vertical rend la signalisation PAM4 plus sensible au bruit, ce qui se traduit par un taux d'erreur binaire plus élevé. Cependant, le PAM4 a été rendu possible grâce au FEC (forward-error correction) qui permet au système de liaison d'atteindre le BER souhaité.

Consommation d'énergie

La réduction du BER dans un canal PAM4 nécessite une égalisation à l'extrémité Rx et une précompensation à l'extrémité Tx, qui consomment toutes deux plus d'énergie que la liaison NRZ pour une fréquence d'horloge donnée. Cela signifie que les émetteurs-récepteurs PAM4 génèrent plus de chaleur à chaque extrémité de la liaison. Cependant, la nouvelle plateforme de pointe en photonique de silicium (SiPh) peut réduire efficacement la consommation d'énergie et peut être utilisée dans les émetteurs-récepteurs 400G. Par exemple, le transceiver QSFP-DD DR4 400G en photonique de silicium de FS combine des puces SiPh et une signalisation PAM4, ce qui en fait une solution rentable et à faible consommation d'énergie pour les centres de données 400G.

Passage de NRZ à PAM4 pour l'Ethernet 400G

Avec les données massives transmises à travers le monde, de nombreuses organisations posent leur quête de migration vers le 400G. Initialement, le NRZ 16× 25G baud rate est utilisé pour l'Ethernet 400G, comme le 400G-SR16, mais la perte de liaison et la taille du schéma ne peuvent pas répondre aux demandes de l'Ethernet 400G. Alors que PAM4 permet des débits binaires plus élevés à la moitié du débit en bauds, les concepteurs peuvent continuer à utiliser les canaux existants à des débits potentiels de 400G Ethernet. En conséquence, PAM4 a dépassé NRZ comme méthode de modulation préférée pour la transmission de signaux électriques ou optiques dans les modules optiques 400G.