Tecniche di modulazione NRZ e PAM4

I trend del momento come il cloud computing e i big data stanno determinando una crescita esponenziale del traffico e l'ascesa dell'Ethernet 400G. I data center stanno facendo fronte a una più grande richiesta di larghezza di banda, mentre tecnologie innovative sono richieste per le infrastrutture al fine di soddisfare richieste in continua evoluzione. Al momento vi sono due diverse tecniche di modulazione del segnale al vaglio per la nuova generazione Ethernet: non-return to zero (NRZ) e pulse-amplitude modulation 4-level (PAM4). Questo articolo presenterà le due tecniche di modulazione, facendo un raffronto per determinare la scelta ottimale per l'Ethernet 400G.

NRZ e PAM4: Fondamenti

NRZ è una tecnica di modulazione utilizzante due livelli di segnale per rappresentare l'informazione 1/0 di un segnale digitale logico. 0 logico è il voltaggio negativo,1 logico il voltaggio positivo. Un bit di informazione logica può essere trasmesso o ricevuto in un clock. Il baud-rate, o la frequenza a cui un simbolo può cambiare, è uguale al bit-rate nei segnali NRZ.

PAM4 è una tecnologia che utilizza differenti livelli di segnale per la trasmissione e in cui ogni periodo rappresenta 2 bit di informazione logica (0, 1, 2, 3). Per ottenere questo, la forma dell'onda ha 4 livelli differenti, portanti 4 bit: 00, 01, 10 o 11, come mostrato sotto. Con due bit per simbolo, il baud-rate è la metà del bit-rate.

Confronto tra NRZ e PAM4

Bit Rate

Una trasmissione con il meccanismo NRZ avrà lo stesso baud-rate e bit-rate, poiché un simbolo può trasportare un bit. Un bit-rate di 28Gbps (gigabit per secondo) equivale a un baud-rate di 28GBdps (gigabaud per secondo). Dato che PAM4 trasporta 2 bit per simbolo, 56Gbps in PAM4 avranno invece una linea di trasmissione a 28GBdps. PAM4 ha dunque il doppio del bit-rate per un dato baud-rate rispetto a NRZ, portando maggiore efficienza per trasmissioni a fibra ottica ad alta velocità come il 400G. Per essere più precisi, un'interfaccia Ethernet 400 Gbps può essere realizzata con otto tracce a 50Gbps o quattro tracce a 100Gbps utilizzando la modulazione PAM4.

Perdita di segnale

Il PAM4 consente la trasmissione per ciclo di una quantità di informazioni doppia rispetto a NRZ. Perciò, allo stesso bit-rate, PAM4 ha solamente metà del baud-rate (anche detto frequenza di simbolo) del segnale NRZ, quindi la perdita di segnale causata dal canale di trasmissione è considerevolmente ridotta. Questo vantaggio chiave del PAM4 consente di utilizzare i canali e le interconnessioni esistenti a velocità di bit più elevate senza raddoppiare la velocità di trasmissione e aumentare la perdita di canale.

Rapporto segnale/rumore (SNR Signal-to-noise Ratio) e bit error ratio (BER)

Come mostrato nella figura sotto, l'altezza d'occhio per PAM4 è 1/3 di quella per NRZ, facendo sì che PAM4 aumenti il rapporto segnale/rumore (SNR Signal-to-noise Ratio) di -9.54 dB (penale di bilancio di collegamento), influenzando la qualità del segnale e introducendo ulteriori limiti al segnale ad alta velocità. L'ampiezza d'occhio minore del 33% rende il segnale PAM4 più sensibile al rumore, con conseguente maggiore bit error ratio. Tuttavia, PAM4 è stato realizzato affinché la correzione diretta degli errori (FEC forward-error correction) possa aiutare il sistema di collegamento a raggiunger la BER desiderata.

Consumo energetico

Ridurre la BER in un canale PAM4 richiede equalizzazione alla fine del Rx e pre-compensazione alla fine del Tx, i quali consumano entrambi energia aggiuntiva rispetto a un collegamento NRZ per un dato clock. Questo significa che i transceiver PAM4 generano più calore alla fine di ogni collegamento. Le ultime piattaforme in fotonica del silicio (SiPh silicon photonics) possono efficacemente ridurre il consumo d'energia e possono essere utilizzate nei transceiver 400G. Per esempio, un transceiver 400G in fotonica del silicio FS combina chip SiPh e segnale PAM4, rendendolo una soluzione economica e a basso consumo per un data center 400G.

Passaggio da NRZ a PAM4 per l'Ethernet 400G

Con la trasmissione di enormi quantità di dati in tutto il pianeta, molte aziende intendono passare al 400G. Un baud-rate NRZ 16× 25G è inizialmente usato per l'Ethernet 400g, come ad esempio 400G-SR16, ma la perdita di collegamento e le dimensioni dello schema non possono soddisfare le esigenze dell'Ethernet 400G. PAM4 permette invece bit-rate più elevati alla metà del baud-rate; i progettisti possono quindi continuare a usare i canali esistenti alla potenziale velocità di dati dell'Ethernet 400G. Di conseguenza, PAM4 ha superato NRZ come il metodo di modulazione preferito per la trasmissione di segnale elettrico o ottico nei moduli ottici 400G.