Nicht-Rückkehr-zu-Null (NRZ)

Was ist Non-Return-to-Zero (NRZ)?

Non-Return-to-Zero (NRZ) ist ein binäres digitales Signalmodulationsverfahren, das in optischen Modulen eingesetzt wird. NRZ nutzt zwei verschiedene Signalpegel – dargestellt durch 0 und 1. Jeder Signalpegel repräsentiert ein Bit logischer Information. Die binären Signalpegel werden durch spezifische Gleichspannungen (DC) übertragen, wobei die Amplitude des Trägersignals während jedes Bits konstant bleibt. Bei der gängigen positiv-logischen NRZ entspricht der niedrigere Signalpegel (0) einer negativeren Spannung und der höhere Signalpegel (1) einer positiveren Spannung.

Was sind die Unterschiede zwischen NRZ und PAM4?

bit-Rate

Da jedes Symbol der NRZ-Kodierung nur ein Bit logischer Information enthält, während jedes der PAM4-Symbole zwei Bits repräsentiert, entspricht die Bitrate von NRZ der Baudrate von NRZ und das Bit von PAM4 dem doppelten Wert der Baudrate von PAM4. Das heißt:

50 GBaud NRZ = 50 Gbit/s, 50 GBaud PAM4 = 100 Gbit/s.

Ein Anwendungsbeispiel ist das Hochgeschwindigkeits-100G-Einzel-Lambda-Modul, wie QSFP-100G-DR-S und QSFP-100G-FR-S, das 4x25Gbps NRZ-Signale in 1x50Gbaud PAM4l-Signale umwandeln kann.

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

In Bezug auf die Leistungsspektrumdichte erzeugt PAM4 drei verschiedene Augenmuster, während NRZ ein einzelnes großes Auge aufweist. Das Augendiagramm von PAM4 zeigt die inhärenten Einschränkungen hinsichtlich des Signal-Rausch-Verhältnisses (SNR) und der Bitfehlerrate (BER). Da die Signalamplitude (Augenhöhe) von PAM4 nur ein Drittel der von NRZ beträgt, liegen die Spannungspegel näher beieinander, was PAM4 anfälliger für Störgeräusche macht. Dies erhöhte das SNR von PAM9.54 um -XNUMX dB und die BER wurde erhöht.

Um Rauschprobleme zu minimieren, sind in PAM4-Transceivern fortschrittliche Entzerrungstechniken erforderlich. Diese zusätzliche Komplexität macht das Design der PAM4-Optik komplexer und erhöht den Stromverbrauch im Vergleich zu anderen Lösungen.

Signalverlust

PAM4 ermöglicht die doppelte Datenübertragung pro Symbolperiode im Vergleich zu NRZ. Daher beträgt die Baudrate bei gleicher Bitrate nur die Hälfte der NRZ-Rate. Die doppelte Übertragungseffizienz der PAM4-Signalisierung reduziert den durch die Übertragungskanäle verursachten Signalverlust deutlich. Der Vorteil von PAM4 besteht darin, dass es eine höhere Datenrate über die vorhandenen Kanäle ermöglicht, ohne die Baudrate und den Kanalsignalverlust zu erhöhen.

Energieverbrauch

Um die Bitfehlerrate (BER) bei der PAM4-Signalisierung zu senken, sind eine Entzerrung am Empfangsende und eine Neukompensation am Sendeende erforderlich. Beide Verfahren verbrauchen mehr Strom als NRZ. Moderne Silizium-Photonik-Technologie (SiPh) in Silizium-Photonik-Optikmodulen kann dieses Problem jedoch lösen.

Was sind die Vorteile von NRZ?

Die Hauptvorteile von NRZ gegenüber PAM4 sind die höhere Rauschtoleranz, die höhere Fehlerkorrekturfähigkeit und der geringere Stromverbrauch. Da die Signalqualität von NRZ im Vergleich zu PAM4 relativ besser ist, ist der mechanische Aufbau der NRZ-Optik einfach und erfordert keine komplexen Signalverarbeitungseinheiten, wie z. B. keine Taktrückgewinnungsschaltung. Die Kosten für ein NRZ-moduliertes Gerät sind oft geringer als die eines PAM4.