PAM4

O que é PAM4?

A modulação por amplitude de pulso de 4 níveis (PAM4) é uma tecnologia de modulação digital que utiliza quatro níveis de sinal diferentes (símbolos) para a transmissão de sinais. Cada símbolo pode codificar dois bits de dados, ou seja, 00, 01, 10 e 11. Em comparação com NRZ, também conhecido como formato de modulação binária de dois níveis (que usa dois níveis de sinal, cada um transportando apenas um bit de informação lógica - 0 ou 1), a modulação PAM4 duplica os níveis de sinal. Esse recurso levou a taxa de bits da PAM4 a ser o dobro da NRZ sob a mesma taxa de baud. Essa diferença se reflete no desempenho de duplicar a eficiência de transmissão.

Padrão de olho e padrão de bits de NRZ vs PAM4

Por que precisamos de PAM4?

No mundo do big data, maior largura de banda é sempre uma tendência contínua. NRZ tem baixa eficiência de transmissão de sinal e desvantagens para atender às redes de dados de alta velocidade cada vez maiores, que é onde entra o PAM4. 

Uma maneira de aumentar a taxa de transmissão é aumentar o número de canais de transmissão de sinal; a outra é melhorar a taxa de canal único. Esta última é uma solução mais econômica, pois o método anterior exige despesas extras de construção. 

O PAM4 aumenta a eficiência de canal único ao elevar os níveis de sinal e dobrar as taxas de interface de rede sem adicionar canais ou alterar dispositivos ópticos. A atualização dos chips internos do módulo óptico possibilita isso, e equipamentos de alto desempenho (por exemplo, chips X86, interfaces SerDes) podem lidar com sinais PAM4.

O padrão IEEE 802.3bj de 2014 define modos de sinal de backplane 100G: NRZ a 4 x 25.78 Gbit/s e PAM4 a 4 x 13.6 Gbit/s. Embora o NRZ tenha se tornado rapidamente comercialmente viável, o PAM4 foi inicialmente limitado pela tecnologia e pelo custo; no entanto, com o aumento dos requisitos de taxa de dados para interfaces 200G/400G, o PAM4 agora se destaca como a solução ideal.

Quais são os prós e contras do PAM4?

Prós:

• Dupla eficiência de transmissão: A codificação PAM4 transmite dois bits por símbolo; portanto, para a mesma taxa de bauds, PAM4 atinge o dobro da taxa de transferência do NRZ. Por exemplo, 28 GBaud PAM4 equivalem a 56 Gbps, enquanto 28 GBaud NRZ equivalem a 28 Gbps.

• Economizar Custo do Sistema: O sinal multinível PAM4 tem o dobro da taxa de bits do NRZ no mesmo período de símbolo, o que reduz os componentes ópticos necessários e economiza o custo por bit.

Contras:

• Vulnerável a interfaces externas: A partir dos diagramas de olho dos sinais, podemos ver que o sinal PAM4 tem olhos menores (a altura do olho do PAM4 é cerca de ⅓ da do NRZ), o que significa que há um espaço mais estreito entre os diferentes níveis de tensão dos sinais PAM4 e faz com que o PAM4 seja suscetível à interferência do ambiente, especialmente ruído. É por isso que os transceptores que usam modulação PAM4 têm maior Taxa de Erro de Bits (BER) e Relação Sinal-Ruído (SNR).

• Limitação de transmissão: O sinal PAM4 é vulnerável a ruídos e outros fatores de interferência. Portanto, a qualidade do sinal é insatisfatória em transmissões de longa distância.

• Exigir dispositivos de correção de sinal: O sinal PAM4 em transmissão de longa distância requer dispositivos extras para manter a qualidade do sinal, como amplificadores e FEC para ajudar a aprimorar o sinal e radiadores para melhor dissipação de calor. 

• Maior consumo de energia: O equipamento auxiliar aprimorado necessário para a transmissão de longa distância de sinais PAM4 resulta em maior consumo de energia, que é, no geral, maior do que o dos sinais NRZ.

Quais são as aplicações de PAM4?

PAM4 é amplamente usado na transmissão de dados em alta velocidade, especialmente em data centers e telecomunicações. Suas principais aplicações incluem:

Abordagem Single-Lambda

A abordagem de lambda único usa a modulação de amplitude de pulso de quatro níveis, que transmite o dobro dos dados do método NRZ anterior sem precisar de componentes ópticos mais rápidos. Isso significa que a tecnologia óptica existente capaz de 50G com NRZ pode lidar com 100G com PAM4. Alguns dos módulos ópticos típicos de canal único que usam PAM4 são 100GBASE-FR QSFP28,  100GBASE-DR QSFP28, 100GBASE-LR QSFP28, 100GBASE-ERL QSFP28, 100G DWDM QSFP28.

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

PAM4 aumenta as taxas de transmissão de fibras ópticas em data centers, permitindo velocidades de 100G, 200G, 400G e 800G além, modulando 1x 100G PAM-4, 4x 50G PAM-4, 4x 100G PAM-4 ou 8x 50G PAM-4, 8X 100G PAM-4.

Interconexão de data centers (DCI)

A eficiência de DCI depende da eficiência da transferência de dados entre servidores, sistemas de armazenamento e dispositivos de rede. Módulos ópticos de alto desempenho que usam codificação PAM4 melhoram a transmissão de dados, convertendo sinais NRZ em PAM4. Isso aumenta a capacidade de dados, otimiza o espaço e oferece suporte às três primeiras camadas OSI, aprimorando operações inter-regionais, acesso de usuários e recuperação de desastres.

Rede de Transporte Móvel 5G

5G precisa de mais largura de banda para atender às demandas por serviços como eMBB, URLLC e mMTC. Ele tem eficiência espectral 3-5 vezes melhor que 4G e começa em 100MHz, cinco vezes mais que o 4G inicial. A largura de banda Sub-6GHz é 15-25 vezes maior, e o 5G de alta frequência pode exceder 800MHz. A NGMN estima que o transporte 5G passará para 50GE/200GE em Sub-6GHz e 100GE/200GE/400GE em alta frequência. A tecnologia PAM4 ajudará a atender a essas demandas de alta largura de banda.

Redes metropolitanas

As redes metropolitanas conectam serviços de dados, voz e vídeo em toda a cidade. O PAM4 expande as interfaces de núcleo e agregação, aprimorando a eficiência da rede e a experiência do usuário. Devido aos avanços em HD, 4K, 8K e VR/AR, as interfaces atuais de 10GE e 40GE serão atualizadas para 50GE, 200GE e 400GE.