Non-Return-to-Zero (NRZ)

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

Non-return-to-zero (NRZ) ist ein binäres digitales Signalmodulationsverfahren, das in optischen Modulen angewendet wird. NRZ verwendet zwei verschiedene Signalpegel — dargestellt durch 0 und 1. Jeder der Signalpegel stellt ein Bit logischer Information dar. Die binären Signalpegel werden durch spezifische Gleichspannungen (DC) übertragen, und die Amplitude des Trägersignals ist während jeder Bit-Zeit konstant. Bei der üblichen NRZ mit positiver Logik entspricht der Signalpegel des niedrigeren Zustands (0) einer negativeren Spannung, und der Signalpegel des höheren Zustands (1) entspricht einer positiveren Spannung.

Was sind die Unterschiede zwischen NRZ und PAM4?

Bitrate

Da jedes Symbol der NRZ-Codierung nur ein Bit an logischer Information enthält, während jedes der PAM4-Symbole zwei Bits darstellt, entspricht die Bitrate von NRZ der Baudrate von NRZ, und die Bitrate von PAM4 ist doppelt so hoch wie die Baudrate von PAM4. Das heißt:

50Gbaud NRZ = 50Gbps, 50Gbaud PAM4 = 100Gbps.

Ein Beispiel für die Anwendung ist das schnelle 100G-Single-Lambda-Modul, wie QSFP-100G-DR-S und QSFP-100G-FR-S, das 4x25Gbps-NRZ-Signale in ein 1x50Gbaud-PAM4l-Signal umwandeln kann.

SNR (Signal-Rausch-Verhältnis) und Bit Error Rate (BER)

In Bezug auf die Leistungsdichtespektrumsdichte erzeugt PAM4 drei unterschiedliche Augenmuster, während NRZ ein einziges großes Auge aufweist. Das Augendiagramm von PAM4 zeigt seine inhärenten Einschränkungen in Bezug auf das Signal-Rausch-Verhältnis (SNR) und die Bitfehlerrate (BER). Da die Signalamplitude (Augenhöhe) von PAM4 nur ein Drittel der von NRZ beträgt, liegen die Spannungspegel näher beieinander, wodurch es anfälliger für Rauschstörungen ist. Dies erhöhte das SNR von PAM4 um -9,54 dB und führte zu einer höheren BER.

In PAM4-Transceivern sind fortschrittliche Entzerrungstechniken erforderlich, um Rauschprobleme zu mindern. Diese zusätzliche Komplexität macht das Design von PAM4-Optiken anspruchsvoller und erhöht den Stromverbrauch im Vergleich zu anderen Lösungen.

Signalverlust

PAM4 ermöglicht die Übertragung von doppelt so vielen Daten wie NRZ in jeder Symbolperiode. Daher beträgt die Baudrate bei gleicher Bitrate nur die Hälfte der von NRZ. Die verdoppelte Übertragungseffizienz bei der PAM4-Signalisierung verringert den durch Übertragungskanäle verursachten Signalverlust erheblich. Der Vorteil von PAM4 besteht darin, dass es eine höhere Datenrate über die bestehenden Kanäle ermöglicht, ohne die Baudrate und den Kanalsignalverlust zu erhöhen.

Stromverbrauch

Um die BER bei der PAM4-Signalisierung zu senken, sind Entzerrung am RX-Ende und Re-Kompensation am TX-Ende erforderlich, die beide mehr Strom verbrauchen als NRZ. Allerdings kann modernste Siliziumphotonik-Technologie (SiPh), die in siliziumphotonischen optischen Modulen eingesetzt wird, dieses Problem lösen.

Was sind die Vorteile von NRZ?

Die wichtigsten Vorteile von NRZ gegenüber PAM4 sind eine bessere Rauschtoleranz, eine höhere Fehlerkorrekturfähigkeit und ein geringerer Stromverbrauch. Da die Signalqualität von NRZ zudem relativ besser ist als die von PAM4, ist das mechanische Design von NRZ-Optiken einfach und erfordert keine komplexen Signalverarbeitungseinheiten, wie etwa eine Clock-Recovery-Schaltung. Die Kosten eines NRZ-modulisierten Geräts sind oft niedriger als die eines PAM4.