NRZ 对比 PAM4 调制技术

Posted 2022-04-07 网络技术联盟站

云计算和大数据等领先趋势推动了指数级的流量增长和400G以太网的兴起。数据中心网络面临着更大的带宽需求，基础设施需要创新技术来满足不断变化的需求。目前，针对下一代以太网研究了两种不同的信号调制技术：不归零 (NRZ) 和 4 级脉冲幅度调制 (PAM4)。本文将带您了解这两种调制技术并进行比较，以找到 400G 以太网的最佳选择。

NRZ 和 PAM4 基础知识

NRZ 是一种使用两个信号电平来表示数字逻辑信号的 1/0 信息的调制技术。逻辑0是负电压，逻辑1是正电压。在每个时钟周期内可以发送或接收一位逻辑信息。波特率或符号可以改变的速度等于 NRZ 信号的比特率。

PAM4 是一种使用四种不同信号电平进行信号传输的技术，每个符号周期代表 2 位逻辑信息（0、1、2、3）。为此，波形有 4 个不同的电平，携带 2 位：00、01、10 或 11，如下所示。每个符号两位，波特率是比特率的一半。

NRZ 与 PAM4 的比较

比特率

使用 NRZ 机制的传输将具有相同的波特率和比特率，因为一个符号可以携带一位。28Gbps（千兆每秒）比特率相当于 28GBdps（千兆每秒）波特率。同时，由于 PAM4 每个符号携带 2 位，56Gbps PAM4 将具有 28GBdps 的线路传输。因此，PAM4 将给定波特率的比特率比 NRZ 提高一倍，从而为 400G 等高速光传输带来更高的效率。更具体地说，400 Gbps 以太网接口可以使用 PAM4 调制实现 8 个 50Gbps 通道或 4 个 100Gbps 通道。

信号丢失

PAM4 允许在每个符号周期传输两倍于 NRZ 的信息。因此，在相同码率下，PAM4的波特率（也称为符号率）只有NRZ信号的一半，因此PAM4信令中传输信道造成的信号损耗大大降低。PAM4 的这一关键优势允许以更高的比特率使用现有通道和互连，而不会将波特率加倍并增加通道损耗。

信噪比 (SNR) 和误码率 (BER)

根据下图，PAM4 的眼高是 NRZ 的 1/3，导致 PAM4 将 SNR（信噪比）提高 -9.54 dB（链路预算惩罚），这会影响信号质量并引入额外的高速信号的限制。垂直眼图开度小 33% 使PAM4 信号对噪声更敏感，从而导致更高的误码率。然而，PAM4 之所以成为可能，是因为前向纠错 (FEC) 可以帮助链接系统实现所需的 BER。

能量消耗

降低 PAM4 通道中的 BER 需要在 Rx 端进行均衡，并在 Tx 端进行预补偿，对于给定的时钟速率，这两者都比 NRZ 链路消耗额外的功率。这意味着PAM4 收发器会在链路的每一端产生更多的热量。然而，新的最先进的硅光子学 (SiPh) 平台可以有效降低能耗，并可用于 400G 收发器。例如，FS 硅光子 400G 收发器结合了 SiPh 芯片和 PAM4 信令，使其成为 400G 数据中心的高性价比和低功耗解决方案。

400G 以太网从 NRZ 转变为 PAM4

随着海量数据在全球范围内传输，许多组织提出了向 400G 迁移的要求。最初，16×25G波特率NRZ用于400G以太网，如400G-SR16，但该方案的链路损耗和大小不能满足400G以太网的需求。虽然 PAM4 以波特率的一半实现更高的比特率，但设计人员可以继续以潜在的 400G 以太网数据速率使用现有通道。因此，PAM4 已取代 NRZ，成为400G 光模块中电或光信号传输的首选调制方法。