PAM4

Qu’est-ce que PAM4 ?

La modulation d’amplitude d’impulsion à 4 niveaux (PAM4) est une technologie de modulation numérique qui utilise quatre niveaux de signal différents (symboles) pour la transmission du signal. Chaque symbole peut encoder deux bits de données, c’est-à-dire 00, 01, 10 et 11. Par rapport à NRZ, également connu sous le nom de format de modulation binaire à deux niveaux (qui utilise deux niveaux de signal, chacun ne transportant qu’un seul bit d’information logique - 0 ou 1), la modulation PAM4 double les niveaux de signal. Cette caractéristique a conduit à un débit binaire de PAM4 deux fois supérieur à celui de NRZ au même débit en bauds. Cette différence se reflète dans le doublement de l’efficacité de transmission.

Diagramme de l’œil et motif binaire de NRZ vs PAM4

Pourquoi avons-nous besoin de PAM4 ?

Dans le monde du big data, une bande passante plus élevée reste une tendance constante. NRZ présente une faible efficacité de transmission du signal et des inconvénients pour répondre aux réseaux de données à haut débit toujours croissants, et c’est là que PAM4 intervient. 

Une façon d’améliorer le taux de transmission consiste à augmenter le nombre de canaux de transmission du signal ; l’autre consiste à améliorer le débit d’un seul canal. Cette dernière est une solution plus rentable, car la première méthode nécessite des dépenses de construction supplémentaires. 

PAM4 améliore l’efficacité monocanal en augmentant les niveaux de signal et en doublant les débits des interfaces réseau sans ajouter de canaux ni modifier les dispositifs optiques. La mise à niveau des puces internes du module optique rend cela possible, et les équipements haut de gamme (p. ex., puces X86, interfaces SerDes) peuvent traiter les signaux PAM4.

La norme IEEE 802.3bj 2014 définit les modes de signal de fond de panier 100G : NRZ à 4 x 25.78 Gbit/s et PAM4 à 4 x 13.6 Gbit/s. Si NRZ est rapidement devenu commercialement viable, PAM4 a d’abord été limité par la technologie et le coût ; toutefois, avec l’augmentation des exigences de débit de données pour les interfaces 200G/400G, PAM4 s’impose désormais comme la solution optimale.

Quels sont les avantages et les inconvénients du PAM4 ?

Avantages :

• Efficacité de transmission doublée : Le codage PAM4 transmet deux bits par symbole ; ainsi, pour un même débit en bauds, PAM4 atteint un débit deux fois supérieur à celui du NRZ. Par exemple, 28 GBaud PAM4 équivaut à 56 Gbps, tandis que 28 GBaud NRZ équivaut à 28 Gbps.

• Réduire les coûts du système : Le signal multiniveau PAM4 a un débit binaire deux fois supérieur à celui du NRZ pendant la même période de symbole, ce qui réduit les composants optiques nécessaires et diminue le coût par bit.

Inconvénients :

• Vulnérable aux interfaces externes : À partir des diagrammes de l'œil des signaux, nous pouvons voir que le signal PAM4 présente des ouvertures plus petites (la hauteur de l'œil de PAM4 est d'environ ⅓ de celle de NRZ), ce qui signifie qu'il y a un espace plus étroit entre les différents niveaux de tension des signaux PAM4 et que PAM4 est susceptible d'être perturbé par l'environnement, en particulier par le bruit. C'est pourquoi les émetteurs-récepteurs utilisant la modulation PAM4 ont un taux d'erreurs binaires (BER) et un rapport signal/bruit (SNR) plus élevés.

• Limitation de transmission : Le signal PAM4 est vulnérable au bruit et à d’autres facteurs d’interférence. Par conséquent, la qualité du signal est insatisfaisante sur les transmissions longue distance.

• Nécessite des dispositifs de correction du signal : Le signal PAM4 sur une transmission longue distance nécessite des dispositifs supplémentaires pour maintenir la qualité du signal, tels que des amplificateurs et FEC pour aider à améliorer le signal, ainsi que des radiateurs pour une meilleure dissipation thermique. 

• Consommation d’énergie plus élevée : L’équipement auxiliaire amélioré requis pour la transmission longue distance des signaux PAM4 entraîne une consommation d’énergie plus élevée, globalement supérieure à celle des signaux NRZ.

Quelles sont les applications PAM4 ?

PAM4 est largement utilisé dans la transmission de données à haut débit, en particulier dans les centres de données et les télécommunications. Ses principales applications comprennent :

Approche Lambda unique

L’approche à lambda unique utilise la modulation d’amplitude d’impulsion à quatre niveaux, qui transmet deux fois plus de données que la méthode NRZ précédente sans nécessiter de composants optiques plus rapides. Cela signifie que la technologie optique existante capable de 50G avec NRZ peut prendre en charge 100G avec PAM4. Certains modules optiques monocanaux typiques qui utilisent PAM4 sont 100GBASE-FR QSFP28,  100GBASE-DR QSFP28, 100GBASE-LR QSFP28, 100GBASE-ERL QSFP28, 100G DWDM QSFP28.

Ethernet 100G/200G/400G/800G

PAM4 améliore les débits de transmission des fibres optiques dans les centres de données, permettant des vitesses de 100G, 200G, 400G et 800G et au-delà en modulant 1x 100G PAM-4, 4x 50G PAM-4, 4x 100G PAM-4 ou 8x 50G PAM-4, 8X 100G PAM-4.

Interconnexion de centres de données (DCI)

L’efficacité du DCI dépend de l’efficacité du transfert de données entre les serveurs, les systèmes de stockage et les périphériques réseau. Les modules optiques haute performance utilisant le codage PAM4 améliorent la transmission des données, en convertissant les signaux NRZ en signaux PAM4. Cela augmente la capacité des données, optimise l’espace et prend en charge les trois premières couches OSI, améliorant ainsi les opérations interrégionales, l’accès des utilisateurs et la reprise après sinistre.

Réseau de transport mobile 5G

La 5G a besoin de davantage de bande passante pour répondre aux exigences de services comme l’eMBB, l’URLLC et le mMTC. Elle offre une efficacité spectrale 3 à 5 fois supérieure à celle de la 4G et commence à 100MHz, soit cinq fois plus que les premières versions de la 4G. La bande passante Sub-6GHz est 15 à 25 fois supérieure, et la 5G haute fréquence peut dépasser 800MHz. La NGMN estime que le transport 5G passera à 50GE/200GE en Sub-6GHz et à 100GE/200GE/400GE en haute fréquence. La technologie PAM4 contribuera à répondre à ces exigences de bande passante élevée.

Réseaux métropolitains

Les réseaux métropolitains relient les services de données, de voix et de vidéo à l’échelle d’une ville. Le PAM4 étend les interfaces de cœur et d’agrégation, améliorant l’efficacité du réseau et l’expérience utilisateur. Grâce aux progrès de la HD, de la 4K, de la 8K et de la VR/AR, les interfaces 10GE et 40GE actuelles évolueront vers 50GE, 200GE et 400GE.