PAM4

Apakah PAM4?

Pulse Amplitude Modulation 4-level (PAM4) ialah teknologi modulasi digital yang menggunakan empat aras isyarat (simbol) yang berbeza untuk penghantaran isyarat. Setiap simbol boleh mengekod dua bit data, iaitu 00, 01, 10 dan 11. Berbanding NRZ, yang juga dikenali sebagai format modulasi binari dua aras (yang menggunakan dua aras isyarat dengan setiap satunya membawa hanya satu bit maklumat logik - 0 atau 1), modulasi PAM4 menggandakan aras isyarat. Ciri ini menyebabkan kadar bit PAM4 menjadi dua kali ganda berbanding NRZ pada kadar baud yang sama. Perbezaan ini tercermin dalam prestasi yang menggandakan kecekapan penghantaran.

Corak mata dan corak bit NRZ berbanding PAM4

Mengapakah Kita Memerlukan PAM4?

Dalam dunia data besar, lebar jalur yang lebih tinggi sentiasa menjadi trend yang berterusan. NRZ mempunyai kecekapan penghantaran isyarat yang rendah dan kekurangan dalam memenuhi rangkaian data berkelajuan tinggi yang semakin meningkat, dan di sinilah PAM4 memainkan peranannya. 

Satu cara untuk meningkatkan kadar penghantaran adalah dengan menambah bilangan saluran penghantaran isyarat; satu lagi adalah dengan meningkatkan kadar saluran tunggal. Kaedah yang kedua merupakan penyelesaian yang lebih menjimatkan kos kerana kaedah pertama memerlukan perbelanjaan pembinaan tambahan. 

PAM4 meningkatkan kecekapan saluran tunggal dengan menambah tahap isyarat dan menggandakan kadar antara muka rangkaian tanpa menambah saluran atau mengubah peranti optik. Peningkatan cip dalaman modul optik membolehkan perkara ini dilakukan, dan peralatan kelas atasan (contohnya, cip X86, antara muka SerDes) boleh mengendalikan isyarat PAM4.

Piawaian IEEE 802.3bj 2014 mentakrifkan mod isyarat backplane 100G: NRZ pada 4 x 25.78 Gbit/s dan PAM4 pada 4 x 13.6 Gbit/s. Walaupun NRZ cepat menjadi berdaya maju secara komersial, PAM4 pada mulanya dihadkan oleh teknologi dan kos; namun, dengan peningkatan keperluan kadar data untuk antara muka 200G/400G, PAM4 kini menjadi penyelesaian yang optimum.

Apakah Kelebihan dan Kekurangan PAM4?

Kelebihan:

• Kecekapan Penghantaran Berganda: Pengekodan PAM4 menghantar dua bit bagi setiap simbol, jadi pada kadar baud yang sama, PAM4 mencapai daya pemprosesan dua kali ganda berbanding NRZ. Sebagai contoh, PAM4 28 GBaud bersamaan dengan 56 Gbps, manakala NRZ 28 GBaud bersamaan dengan 28 Gbps.

• Jimat Kos Sistem: Isyarat berbilang aras PAM4 mempunyai kadar bit dua kali ganda berbanding NRZ dalam tempoh simbol yang sama, yang mengurangkan komponen optik yang diperlukan dan menjimatkan kos bagi setiap bit.

Kelemahan:

• Terdedah kepada Antara Muka Tambahan: Daripada gambar rajah mata isyarat, kita dapat melihat bahawa isyarat PAM4 mempunyai mata yang lebih kecil (ketinggian mata PAM4 adalah kira-kira ⅓ daripada NRZ), yang bermaksud terdapat ruang yang lebih sempit antara aras voltan isyarat PAM4 yang berbeza dan menyebabkan PAM4 mudah terdedah kepada gangguan daripada persekitaran, terutamanya hingar. Inilah sebabnya transceiver yang menggunakan modulasi PAM4 mempunyai Kadar Ralat Bit (BER) dan Nisbah Isyarat kepada Hingar (SNR) yang lebih tinggi.

• Had Penghantaran: Isyarat PAM4 mudah terjejas oleh hingar dan faktor gangguan lain. Oleh itu, kualiti isyarat menjadi tidak stabil dalam penghantaran jarak jauh.

• Peranti Pembetulan Isyarat Diperlukan: Penghantaran isyarat PAM4 pada jarak jauh memerlukan peranti tambahan untuk mengekalkan kualiti isyarat, seperti penguat dan FEC bagi membantu meningkatkan isyarat serta radiator untuk pelesapan haba yang lebih baik. 

• Penggunaan Kuasa Lebih Tinggi: Peralatan tambahan yang dipertingkatkan yang diperlukan untuk penghantaran jarak jauh isyarat PAM4 menyebabkan penggunaan kuasa yang lebih tinggi, yang secara keseluruhannya lebih tinggi berbanding isyarat NRZ.

Apakah Aplikasi PAM4?

PAM4 digunakan secara meluas dalam penghantaran data berkelajuan tinggi, khususnya di pusat data dan telekomunikasi. Aplikasi utamanya termasuk:

Pendekatan Lambda Tunggal

Pendekatan single-lambda menggunakan modulasi amplitud denyutan empat aras, yang menghantar data dua kali ganda berbanding kaedah NRZ sebelumnya tanpa memerlukan komponen optik yang lebih pantas. Ini bermakna teknologi optik sedia ada yang mampu mencapai 50G dengan NRZ boleh mengendalikan 100G dengan PAM4. Antara modul optik saluran tunggal tipikal yang menggunakan PAM4 ialah 100GBASE-FR QSFP28,  100GBASE-DR QSFP28, 100GBASE-LR QSFP28, 100GBASE-ERL QSFP28, 100G DWDM QSFP28.

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

PAM4 meningkatkan kadar penghantaran gentian optik di pusat data, membolehkan kelajuan 100G, 200G, 400G dan 800G serta lebih tinggi melalui pemodulatan 1x 100G PAM-4, 4x 50G PAM-4, 4x 100G PAM-4 atau 8x 50G PAM-4, 8X 100G PAM-4.

Saling Sambung Pusat Data (DCI)

Kecekapan DCI bergantung pada kecekapan pemindahan data antara pelayan, sistem storan dan peranti rangkaian. Modul optik berprestasi tinggi yang menggunakan pengekodan PAM4 meningkatkan penghantaran data dengan menukar isyarat NRZ kepada PAM4. Ini meningkatkan kapasiti data, mengoptimumkan ruang dan menyokong tiga lapisan OSI pertama, sekali gus mempertingkat operasi merentas wilayah, akses pengguna dan pemulihan bencana.

Rangkaian Pengangkutan Mudah Alih 5G

5G memerlukan lebar jalur yang lebih besar untuk memenuhi permintaan perkhidmatan seperti eMBB, URLLC dan mMTC. Kecekapan spektrumnya 3-5 kali lebih baik berbanding 4G dan bermula pada 100MHz, iaitu lima kali ganda berbanding 4G awal. Lebar jalur Sub-6GHz adalah 15-25 kali lebih besar, manakala 5G frekuensi tinggi boleh melebihi 800MHz. NGMN menganggarkan bahawa pengangkutan 5G akan beralih kepada 50GE/200GE dalam Sub-6GHz dan 100GE/200GE/400GE pada frekuensi tinggi. Teknologi PAM4 akan membantu menyokong permintaan lebar jalur tinggi ini.

Rangkaian Metropolitan

Rangkaian metro menghubungkan perkhidmatan data, suara dan video di seluruh bandar. PAM4 memperluas antara muka teras dan agregasi, sekali gus meningkatkan kecekapan rangkaian dan pengalaman pengguna. Disebabkan kemajuan HD, 4K, 8K dan VR/AR, antara muka 10GE dan 40GE semasa akan dinaik taraf kepada 50GE, 200GE dan 400GE.