Die führenden Trends wie Cloud Computing und Big Data treiben das exponentielle Verkehrswachstum und den Aufstieg von 400G Ethernet voran. Rechenzentrumsnetzwerke stehen vor einem größeren Bandbreitenbedarf und es sind innovative Technologien erforderlich, damit die Infrastruktur den sich ändernden Anforderungen gerecht werden kann. Derzeit werden zwei verschiedene Signalmodulationstechniken für Ethernet der nächsten Generation untersucht: Non-Return to Zero (NRZ) und Pulsamplitudenmodulation 4-Level (PAM4). Dieser Artikel führt Sie durch diese beiden Modulationstechniken und vergleicht sie, um die optimale Wahl für 400G-Ethernet zu finden.

NRZ- und PAM4-Grundlagen

NRZ ist eine Modulationstechnik, die zwei Signalpegel verwendet, um die 1/0-Informationen eines digitalen Logiksignals darzustellen. Logik 0 ist eine negative Spannung und Logik 1 ist eine positive Spannung. Innerhalb jeder Taktperiode kann ein Bit Logikinformation gesendet oder empfangen werden. Die Baudrate oder die Geschwindigkeit, mit der sich ein Symbol ändern kann, entspricht der Bitrate für NRZ-Signale.

PAM4 ist eine Technologie, die vier verschiedene Signalpegel zur Signalübertragung verwendet und jede Symbolperiode 2 Bits logischer Informationen (0, 1, 2, 3) darstellt. Um dies zu erreichen, hat die Wellenform 4 verschiedene Ebenen, die 2 Bits tragen: 00, 01, 10 oder 11, wie unten gezeigt. Bei zwei Bits pro Symbol beträgt die Baudrate die Hälfte der Bitrate.

Vergleich von 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 Gbit/s (Gigabit pro Sekunde) entspricht einer Baudrate von 28 GBdps (Gigabaud pro Sekunde). Da PAM4 hingegen 2 Bits pro Symbol überträgt, verfügt PAM4 bei 56 Gbit/s über eine Leitungsübertragung mit 28 GBdps. Daher  verdoppelt PAM4 die Bitrate für eine bestimmte Baudrate gegenüber NRZ und bringt so eine höhere Effizienz für optische Hochgeschwindigkeitsübertragungen wie 400G. Genauer gesagt kann eine 400-Gbit/s-Ethernet-Schnittstelle mit acht Spuren bei 50 Gbit/s oder vier Spuren bei 100 Gbit/s mithilfe der 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, sodass  der durch den Übertragungskanal bei der PAM4-Signalisierung verursachte Signalverlust stark reduziert wird . Dieser entscheidende Vorteil von PAM4 ermöglicht die Nutzung vorhandener Kanäle und Verbindungen bei höheren Bitraten, ohne die Baudrate zu verdoppeln und den Kanalverlust zu erhöhen.

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

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

Energieverbrauch

Die Reduzierung der BER in einem PAM4-Kanal erfordert eine Entzerrung auf der Rx-Seite und eine Vorkompensation auf der Tx-Seite, die beide bei einer bestimmten Taktrate mehr Strom verbrauchen als die NRZ-Verbindung. Das bedeutet, dass  PAM4-Transceiver an jedem Ende der Verbindung mehr Wärme erzeugen . Allerdings kann die neue hochmoderne Silizium-Photonik-Plattform (SiPh) den Energieverbrauch effektiv senken und in 400G-Transceivern eingesetzt werden. 

Wechsel von NRZ zu PAM4 für 400G-Ethernet

Angesichts der enormen Datenmengen, die auf der ganzen Welt übertragen werden, streben viele Unternehmen nach einer Migration auf 400G. Anfänglich wird für 400G-Ethernet eine NRZ mit 16× 25G-Baudrate verwendet, beispielsweise 400G-SR16, aber der Verbindungsverlust und die Größe des Schemas können den Anforderungen von 400G-Ethernet nicht gerecht werden. Während PAM4 höhere Bitraten bei halber Baudrate ermöglicht, können Entwickler bestehende Kanäle weiterhin mit potenziellen 400G-Ethernet-Datenraten nutzen. Dadurch hat PAM4 NRZ als bevorzugte Modulationsmethode für die elektrische oder optische Signalübertragung in optischen 400G-Modulen überholt.