Ведущие тенденции, такие как облачные вычисления и большие данные, способствуют экспоненциальному росту трафика и развитию 400G Ethernet. Сети центров обработки данных сталкиваются с увеличением спроса на полосу пропускания, и для инфраструктуры требуются инновационные технологии, способные удовлетворить меняющиеся потребности. В настоящее время для Ethernet следующего поколения изучаются два различных метода модуляции сигнала: без возврата к нулю (NRZ) и 4-уровневая амплитудно-импульсная модуляция (PAM4). В этой статье вы познакомитесь с этими двумя методами модуляции и сравните их, чтобы найти оптимальный выбор для 400G Ethernet.

Основы NRZ и PAM4

NRZ — это метод модуляции, использующий два уровня сигнала для представления информации 1/0 цифрового логического сигнала. Логический 0 — это отрицательное напряжение, а Логическая 1 — положительное напряжение. Один бит логической информации может быть передан или получен в течение каждого тактового периода. Скорость передачи данных или скорость, с которой может изменяться символ, равна скорости передачи данных для сигналов NRZ.

PAM4 — это технология, которая использует четыре разных уровня сигнала для передачи сигнала, и каждый период символа представляет 2 бита логической информации (0, 1, 2, 3). Для этого сигнал имеет 4 различных уровня, несущих 2 бита: 00, 01, 10 или 11, как показано ниже. При двух битах на символ скорость передачи данных составляет половину скорости передачи данных.

Сравнение NRZ и PAM4

Битрейт

Передача с механизмом NRZ будет иметь одинаковую скорость передачи и битрейт, поскольку один символ может содержать один бит. Скорость передачи данных 28 Гбит/с (гигабит в секунду) эквивалентна скорости передачи данных 28 Гбит/с (гигабит в секунду). Поскольку PAM4 передает 2 бита на символ, PAM4 со скоростью 56 Гбит/с будет обеспечивать линейную передачу со скоростью 28 Гбит/с. Таким образом,  PAM4 удваивает скорость передачи данных для заданной скорости передачи данных по сравнению с NRZ , обеспечивая более высокую эффективность высокоскоростной оптической передачи, такой как 400G. Более конкретно, интерфейс Ethernet 400 Гбит/с может быть реализован с восемью линиями со скоростью 50 Гбит/с или четырьмя полосами со скоростью 100 Гбит/с с использованием модуляции PAM4.

Потеря сигнала

PAM4 позволяет передавать в два раза больше информации за цикл символа, чем NRZ. Следовательно, при той же скорости передачи данных PAM4 имеет только половину скорости передачи, также называемой скоростью передачи символов, сигнала NRZ, поэтому  потери сигнала, вызванные каналом передачи в сигнализации PAM4, значительно уменьшаются . Это ключевое преимущество PAM4 позволяет использовать существующие каналы и межсоединения на более высоких скоростях передачи данных без удвоения скорости передачи данных и увеличения потерь в канале.

Отношение сигнал/шум (SNR) и частота ошибок по битам (BER)

Согласно следующему рисунку, высота глаза для PAM4 составляет 1/3 от высоты глаза для NRZ, в результате чего PAM4 увеличивает SNR (отношение сигнал-шум) на -9,54 дБ (штраф за бюджет канала), что влияет на качество сигнала и вносит дополнительные ограничения в высокоскоростной передаче сигналов. Уменьшенное на 33% вертикальное отверстие делает  передачу сигналов PAM4 более чувствительной к шуму, что приводит к более высокой частоте битовых ошибок . Однако PAM4 стал возможен благодаря прямому исправлению ошибок (FEC), которое может помочь системе связи достичь желаемого BER.

Потребляемая мощность

Уменьшение BER в канале PAM4 требует выравнивания на конце Rx и предварительной компенсации на конце Tx, которые потребляют больше энергии, чем канал NRZ для заданной тактовой частоты. Это означает, что  трансиверы PAM4 выделяют больше тепла на каждом конце канала . Однако новая современная платформа кремниевой фотоники (SiPh) может эффективно снизить энергопотребление и может использоваться в трансиверах 400G. 

Переход от NRZ к PAM4 для 400G Ethernet

Поскольку огромные объемы данных передаются по всему миру, многие организации стремятся перейти к 400G. Первоначально для 400G Ethernet, например 400G-SR16, используется скорость передачи данных NRZ 16 × 25G, но потери в канале и размер схемы не могут удовлетворить требования 400G Ethernet. Хотя PAM4 обеспечивает более высокую скорость передачи данных при вдвое меньшей скорости передачи данных, разработчики могут продолжать использовать существующие каналы с потенциальной скоростью передачи данных 400G Ethernet. В результате PAM4 обогнал NRZ в качестве предпочтительного метода модуляции для передачи электрического или оптического сигнала в оптических модулях 400G.