PAM4

Che cos'è PAM4?

La modulazione di ampiezza d'impulso a 4 livelli (PAM4) è una tecnologia di modulazione digitale che utilizza quattro diversi livelli di segnale (simboli) per la trasmissione del segnale. Ogni simbolo può codificare due bit di dati, ovvero 00, 01, 10 e 11. Rispetto a NRZ, noto anche come formato di modulazione binaria a due livelli (che utilizza due livelli di segnale, ciascuno dei quali trasporta un solo bit di informazione logica - 0 o 1), la modulazione PAM4 raddoppia i livelli di segnale. Questa caratteristica ha portato il bit rate di PAM4 a essere il doppio di quello di NRZ a parità di baud rate. Questa differenza si riflette nel raddoppio dell'efficienza di trasmissione.

Diagramma a occhio e sequenza di bit di NRZ vs PAM4

Perché abbiamo bisogno di PAM4?

Nel mondo dei big data, una maggiore larghezza di banda è sempre una tendenza continua. NRZ ha una bassa efficienza di trasmissione del segnale e presenta svantaggi nel soddisfare le reti dati ad alta velocità in continua crescita, ed è qui che entra in gioco PAM4. 

Un modo per aumentare la velocità di trasmissione è incrementare il numero di canali di trasmissione del segnale; l'altro è migliorare la velocità del singolo canale. Quest'ultima è una soluzione più conveniente, poiché il primo metodo richiede costi di costruzione aggiuntivi. 

PAM4 aumenta l'efficienza del singolo canale incrementando i livelli del segnale e raddoppiando le velocità delle interfacce di rete senza aggiungere canali né modificare i dispositivi ottici. L'aggiornamento dei chip interni del modulo ottico consente questo risultato, e le apparecchiature di fascia alta (ad es., chip X86, interfacce SerDes) possono gestire segnali PAM4.

Lo standard IEEE 802.3bj del 2014 definisce le modalità di segnale backplane 100G: NRZ a 4 x 25.78 Gbit/s e PAM4 a 4 x 13.6 Gbit/s. Mentre NRZ è diventato rapidamente commercialmente praticabile, PAM4 era inizialmente limitato dalla tecnologia e dai costi; tuttavia, con l'aumento dei requisiti di velocità dei dati per le interfacce 200G/400G, PAM4 si afferma ora come la soluzione ottimale.

Quali sono i pro e i contro di PAM4?

Vantaggi:

• Doppia efficienza di trasmissione: La codifica PAM4 trasmette due bit per simbolo, quindi, a parità di baud rate, PAM4 raggiunge il doppio del throughput rispetto a NRZ. Ad esempio, 28 GBaud PAM4 equivalgono a 56 Gbps, mentre 28 GBaud NRZ equivalgono a 28 Gbps.

• Riduzione dei costi di sistema: Il segnale multilivello PAM4 ha una velocità in bit doppia rispetto a NRZ nello stesso periodo di simbolo, riducendo i componenti ottici richiesti e risparmiando sul costo per bit.

Contro:

• Vulnerabile alle interfacce esterne: Dai diagrammi a occhio dei segnali, possiamo vedere che il segnale PAM4 ha occhi più piccoli (l'altezza dell'occhio di PAM4 è circa ⅓ di quella di NRZ), il che significa che c'è uno spazio più ristretto tra i diversi livelli di tensione dei segnali PAM4 e fa sì che PAM4 sia suscettibile alle interferenze dell'ambiente, in particolare al rumore. Questo è il motivo per cui i transceiver che utilizzano la modulazione PAM4 hanno un Bit Error Rate (BER) e un Signal-to-noise Ratio (SNR) più elevati.

• Limitazione della trasmissione: Il segnale PAM4 è vulnerabile al rumore e ad altri fattori di interferenza. Pertanto, la qualità del segnale è insoddisfacente nella trasmissione a lunga distanza.

• Richiedere dispositivi per la correttezza del segnale: La trasmissione a lunga distanza del segnale PAM4 richiede dispositivi aggiuntivi per mantenere la qualità del segnale, come amplificatori e FEC per contribuire a migliorare il segnale e radiatori per una migliore dissipazione del calore. 

• Consumo energetico più elevato: L'apparecchiatura ausiliaria potenziata necessaria per la trasmissione a lunga distanza dei segnali PAM4 comporta un maggiore consumo energetico, complessivamente superiore a quello dei segnali NRZ.

Quali sono le applicazioni PAM4?

PAM4 è ampiamente utilizzato nella trasmissione dati ad alta velocità, in particolare nei data center e nelle telecomunicazioni. Le sue principali applicazioni includono:

Approccio a lambda singola

L'approccio single-lambda utilizza la modulazione di ampiezza degli impulsi a quattro livelli, che trasmette il doppio dei dati rispetto al precedente metodo NRZ senza richiedere componenti ottici più veloci. Ciò significa che la tecnologia ottica esistente capace di 50G con NRZ può gestire 100G con PAM4. Alcuni dei tipici moduli ottici a canale singolo che utilizzano PAM4 sono 100GBASE-FR QSFP28,  100GBASE-DR QSFP28, 100GBASE-LR QSFP28, 100GBASE-ERL QSFP28, 100G DWDM QSFP28.

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

PAM4 migliora le velocità di trasmissione delle fibre ottiche nei data center, consentendo velocità di 100G, 200G, 400G e 800G oltre, modulando 1x 100G PAM-4, 4x 50G PAM-4, 4x 100G PAM-4 o 8x 50G PAM-4, 8X 100G PAM-4.

Interconnessione dei data center (DCI)

L'efficienza DCI dipende dall'efficienza del trasferimento dei dati tra server, sistemi di storage e dispositivi di rete. I moduli ottici ad alte prestazioni che utilizzano la codifica PAM4 migliorano la trasmissione dei dati, convertendo i segnali NRZ in segnali PAM4. Ciò aumenta la capacità dei dati, ottimizza lo spazio e supporta i primi tre livelli OSI, migliorando le operazioni interregionali, l'accesso degli utenti e il ripristino di emergenza.

Rete di trasporto mobile 5G

Il 5G richiede maggiore larghezza di banda per soddisfare le esigenze di servizi come eMBB, URLLC e mMTC. Ha un'efficienza spettrale 3-5 volte superiore rispetto al 4G e parte da 100MHz, cinque volte più dell'inizio del 4G. La larghezza di banda Sub-6GHz è 15-25 volte maggiore e il 5G ad alta frequenza può superare 800MHz. NGMN stima che il trasporto 5G passerà a 50GE/200GE in Sub-6GHz e a 100GE/200GE/400GE in alta frequenza. La tecnologia PAM4 contribuirà a supportare queste esigenze di elevata larghezza di banda.

Reti metropolitane

Le reti metropolitane collegano servizi dati, voce e video a livello cittadino. PAM4 espande le interfacce core e di aggregazione, migliorando l'efficienza della rete e l'esperienza utente. Grazie ai progressi di HD, 4K, 8K e VR/AR, le attuali interfacce 10GE e 40GE passeranno a 50GE, 200GE e 400GE.