NRZ VS PAM4、その違いは何ですか？

NRZとPAM4は、現代の通信およびデータ伝送において極めて重要な符号化・変調技術です。これらはデジタル信号伝送で広く使用されています。クラウドコンピューティングやビッグデータなどのトレンドの台頭により、トラフィックが指数関数的に増加し、400G Ethernetが登場しました。この記事では、NRZとPAM4という2つの変調技術について詳しく解説し、増大する伝送速度要件にどちらが適しているかを把握できるよう、両者を比較します。

NRZとPAM4の定義

NRZとは何ですか

NRZは、主にバイナリデータ伝送に使用される従来のデジタル信号符号化方式です。2つの信号レベルを使用してデジタル信号の0と1を表します。論理0は負電圧、論理1は正電圧です。各クロックサイクルで1ビットの論理情報を送信または受信できます。「ゼロ復帰」状態がないことがNRZの大きな特徴です。これは、連続する1と0の間で信号がゼロレベルに戻らないことを意味し、NRZは低い周波数でも効率的なデータ伝送を実現できます。

PAM4とは

PAM4は、4つの異なるレベルを使用してデータを表現する新しい変調技術です。同じシンボル期間に2ビットのバイナリデータ、すなわち00、01、10、または11を伝送できます。したがって、同じ帯域幅条件では、PAM4の伝送速度はNRZの2倍です。このため、データセンターやクラウドコンピューティングなどの高速アプリケーションで広く採用されています。高効率で帯域幅利用率に優れていることから、人気が高まっています。

NRZとPAM4の比較

ビットレート

ご存じのとおり、1つのシンボルで1ビットを伝送できます。NRZは同じシンボル周期で1ビットのバイナリデータしか伝送できませんが、PAM4は2ビットを伝送できます。そのため、同じ帯域幅条件では、NRZが28Gbpsを伝送できる場合、PAM4は56Gbpsに達することができます。28Gbpsのビットレートは28GBdpsのボーレートに相当します。各PAM4シンボルは2ビットを伝送できるため、56Gbps PAM4の回線伝送速度は28GBdpsです。したがって、同じボーレートでは、PAM4はビットレートをNRZの2倍に高め、より高い伝送速度を実現できます。PAM4は、より少ないチャネルで400Gbps Ethernetインターフェイスを実装できますが、NRZではより多くのチャネルが必要です。PAM4は、50Gbpsで8チャネル、または100Gbpsで4チャネルを使用できます。NRZでは、同じ帯域幅で16または8チャネルが必要です。

信号伝送の完全性

PAM4は4つの異なるレベルを使用して情報を伝送するのに対し、NRZは2つしか使用しないため、PAM4はノイズや信号歪みに対してより敏感で、干渉を受けやすくなります。同じ帯域幅でより多くのデータを伝送できますが、信号完全性に対する要件は高くなります。同時に、距離が長くなるにつれて信号の減衰や歪みが増加し、損失率が高くなります。一方、NRZは2つの信号レベルのみを使用して情報を伝送するため、干渉に対する耐性が高く、より長距離で伝送できます。QTの 400G OSFP モジュールにはFEC機能が搭載されており、信号伝送の完全性を確保し、より長距離の伝送に対応できます。

信号対雑音比とビット誤り率

下図に示すように、NRZのアイ高さはPAM4のわずか3分の1であり、これはPAM4によって信号対雑音比が-9.54 dB増加する（リンクバジェット損失）ことを意味します。これは信号品質に重大な影響を与え、高速信号伝送にさらなる制約をもたらします。垂直方向のアイ開口が33%縮小するため、PAM4信号はノイズ環境の影響を受けやすくなり、ビットエラー率が高くなります。ただし、PAM4にはFECがあるため、リンクシステムが必要なBERを達成するのに役立ち、PAM4の適用が可能になります。

複雑さ

NRZのエンコードとデコードはPAM4よりもシンプルであり、従来のほとんどの通信システムに適しています。PAM4はより多くのレベルを使用するため、エンコードとデコードのプロセスがより複雑であり、より高性能なハードウェアのサポートが必要です。そのため、技術面および導入面での複雑さはNRZよりも高く、導入コストも高くなります。

消費電力

同じビットレートではPAM4のボーレートはNRZの半分ですが、PAM4は情報伝送に4つのレベルを使用し、BERを一定範囲内に制御するためにFECを使用する必要があるため、消費電力がより大きくなります。これは、PAM4トランシーバーがより多くの熱を発生させ、運用および保守コストの増加を招くことを意味します。しかし、QTの 400Gトランシーバー BroadcomおよびMacomのDSPチップを採用しており、より優れたプロセスと設計によって、高速データ伝送の効率性と信頼性を最大限に確保しながら、全体的な消費電力を効果的に削減できます。

アプリケーション

NRZ

25G Ethernetでは、NRZのビットレートは25Gbpsであり、通常は100Gから4x 25Gへのアプリケーションに使用できます。これにより、トラフィック管理と負荷分散が向上するだけでなく、ネットワークパフォーマンスの最適化、ボトルネックの削減、全体的な効率の向上にも役立ちます。

PAM4

PAM4は400Gから4x 100Gへのアプリケーションを実現でき、多数のサーバーとストレージデバイス間の高速接続をサポートして、ビッグデータ処理とクラウドコンピューティングのニーズに対応できます。高速アプリケーションの実装をサポートするため、データ伝送効率とスペクトル効率を向上させるように設計されています。また、冗長接続と負荷分散により、ネットワークの信頼性と耐障害性を高め、ネットワークの中断を回避することにも役立ちます。

結論

NRZとPAM4は、光モジュールで使用される異なる2つの変調方式です。それぞれ異なる用途で強みを発揮します。NRZはPAM4より伝送効率が低いものの、伝送がより安定しており、長距離伝送に適しています。PAM4は短距離でより高速な伝送速度をサポートします。NRZとPAM4についてご不明な点がございましたら、QSFPTEKのCCIE/HCIEエンジニアまでお気軽にお問い合わせください [email protected].