Non-Return-to-Zero (NRZ)

Che cos'è il Non-Return-to-Zero (NRZ)?

Non-return-to-zero (NRZ) è un metodo di modulazione del segnale digitale binario applicato nei moduli ottici. NRZ utilizza due diversi livelli di segnale — rappresentati da 0 e 1. Ciascuno dei livelli di segnale rappresenta un bit di informazione logica. I livelli del segnale binario sono trasmessi da specifiche tensioni in corrente continua (DC), e l'ampiezza del segnale portante è costante durante ciascun intervallo di bit. Nel comune NRZ a logica positiva, il livello di segnale dello stato inferiore (0) corrisponde a una tensione più negativa, mentre il livello di segnale dello stato superiore (1) corrisponde a una tensione più positiva.

Quali sono le differenze tra NRZ e PAM4?

Velocità in bit

Poiché ogni simbolo della codifica NRZ contiene solo un bit di informazione logica, mentre ciascuno dei simboli PAM4 rappresenta due bit, il bit rate di NRZ equivale al baud rate di NRZ e il bit di PAM4 è il doppio del baud rate di PAM4. Cioè:

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

Un esempio di applicazione è il modulo 100G single Lambda ad alta velocità, come QSFP-100G-DR-S e QSFP-100G-FR-S, che può convertire segnali NRZ 4x25Gbps in un segnale PAM4l 1x50Gbaud.

SNR (segnale-rumore) e tasso di errore bit (BER)

In termini di densità spettrale di potenza, PAM4 genera tre distinti pattern a occhio, mentre NRZ presenta un unico grande occhio. Il diagramma a occhio di PAM4 rivela le sue limitazioni intrinseche riguardo al rapporto segnale/rumore (SNR) e al tasso di errore sui bit (BER). Poiché l'ampiezza del segnale (altezza dell'occhio) di PAM4 è solo un terzo di quella di NRZ, i livelli di tensione sono più ravvicinati, rendendolo più vulnerabile alle interferenze di rumore. Ciò ha aumentato l'SNR di PAM4 di -9,54 dB e un BER più elevato.

Sono necessarie tecniche avanzate di equalizzazione nei ricetrasmettitori PAM4 per mitigare i problemi di rumore. Questa maggiore complessità rende la progettazione delle ottiche PAM4 più intricata e aumenta il consumo energetico rispetto ad altre soluzioni.

Perdita di segnale

PAM4 consente la trasmissione di una quantità di dati doppia rispetto a NRZ in ciascun periodo di simbolo. Pertanto, il baud rate è solo la metà di quello di NRZ a parità di bit rate. L'efficienza di trasmissione raddoppiata nella segnalazione PAM4 riduce significativamente la perdita di segnale causata dai canali di trasmissione. Il vantaggio di PAM4 è che consente una velocità dati più elevata utilizzando i canali esistenti senza aumentare il baud rate e la perdita di segnale del canale.

Consumo energetico

Per ridurre il BER nella segnalazione PAM4, sono necessari l'equalizzazione all'estremità RX e la ricompensazione all'estremità TX, entrambe più energivore rispetto a NRZ. Tuttavia, la tecnologia fotonica al silicio (SiPh) all'avanguardia e di ultima generazione applicata ai moduli ottici fotonici al silicio può risolvere questo problema.

Quali sono i vantaggi di NRZ?

I principali vantaggi di NRZ rispetto a PAM4 sono una migliore tolleranza al rumore, una maggiore capacità di correzione degli errori e un minore consumo energetico. Inoltre, poiché la qualità del segnale di NRZ è relativamente migliore rispetto a PAM4, la progettazione meccanica dell'ottica NRZ è semplice e non richiede unità complesse di elaborazione del segnale, ad esempio non richiede un circuito di recupero del clock. Il costo di un dispositivo modulizzato NRZ è spesso inferiore a quello di un PAM4.