Non-Return-to-Zero (NRZ)

¿Qué es Non-Return-to-Zero (NRZ)?

Non-return-to-zero (NRZ) es un método de modulación de señal digital binaria aplicado en módulos ópticos. NRZ utiliza dos niveles de señal diferentes — representados por 0 y 1. Cada uno de los niveles de señal representa un bit de información lógica. Los niveles de señal binaria se transmiten mediante voltajes específicos de corriente continua (CC), y la amplitud de la señal portadora es constante durante cada bit de tiempo. En el NRZ común de lógica positiva, el nivel de señal del estado inferior (0) corresponde a un voltaje más negativo, y el nivel de señal del estado superior (1) corresponde a un voltaje más positivo.

¿Cuáles son las diferencias entre NRZ y PAM4?

Tasa de bits

Dado que cada símbolo de la codificación NRZ contiene solo un bit de información lógica, mientras que cada uno de los símbolos PAM4 representa dos bits, la tasa de bits de NRZ equivale a la tasa de baudios de NRZ y la tasa de bits de PAM4 es el doble de la tasa de baudios de PAM4. Es decir:

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

Un ejemplo de la aplicación es el módulo de alta velocidad 100G Single Lambda, como QSFP-100G-DR-S y QSFP-100G-FR-S, que puede convertir señales NRZ de 4x25Gbps en una señal PAM4l de 1x50Gbaud.

SNR (señal-ruido) y tasa de errores de bits (BER)

En términos de densidad espectral de potencia, PAM4 genera tres patrones de ojo distintos, mientras que NRZ presenta un único ojo grande. El diagrama de ojo de PAM4 revela sus limitaciones inherentes en cuanto a la relación señal-ruido (SNR) y la tasa de errores de bit (BER). Debido a que la amplitud de señal (altura del ojo) de PAM4 es solo un tercio de la de NRZ, los niveles de tensión están más juntos, lo que lo hace más vulnerable a la interferencia de ruido. Esto aumentó la SNR de PAM4 en -9,54 dB y elevó la BER.

Se necesitan técnicas avanzadas de ecualización en los transceptores PAM4 para mitigar los problemas de ruido. Esta complejidad añadida hace que el diseño de la óptica PAM4 sea más intrincado y aumenta el consumo de energía en comparación con otras soluciones.

Pérdida de señal

PAM4 permite transmitir el doble de datos que NRZ en cada período de símbolo. Por lo tanto, la tasa de baudios es solo la mitad de la de NRZ a la misma tasa de bits. La eficiencia de transmisión duplicada en la señalización PAM4 reduce significativamente la pérdida de señal causada por los canales de transmisión. La ventaja de PAM4 es que permite una mayor tasa de datos utilizando los canales existentes sin aumentar la tasa de baudios ni la pérdida de señal del canal.

Consumo de energía

Para reducir la BER en la señalización PAM4, se requiere ecualización en el extremo RX y recompensación en el extremo TX, ambas más consumidoras de energía que NRZ. Sin embargo, la tecnología de fotónica de silicio (SiPh) de vanguardia y última generación aplicada a los módulos ópticos fotónicos de silicio puede resolver este problema.

¿Cuáles son las ventajas de NRZ?

Las principales ventajas de NRZ en comparación con PAM4 son una mejor tolerancia al ruido, una mayor capacidad de corrección de errores y un menor consumo de energía. Además, dado que la calidad de la señal de NRZ es relativamente mejor que la de PAM4, el diseño mecánico de la óptica NRZ es sencillo y no requiere unidades complejas de procesamiento de señales, como por ejemplo no requerir un circuito de recuperación de reloj. El coste de un dispositivo modulado NRZ suele ser más barato que el de un PAM4.