Non-Return-to-Zero (NRZ)

Что такое кодирование без возврата к нулю (NRZ)?

Non-return-to-zero (NRZ) — это метод модуляции двоичного цифрового сигнала, применяемый в оптических модулях. NRZ использует два разных уровня сигнала — представленных значениями 0 и 1. Каждый уровень сигнала представляет один бит логической информации. Уровни двоичного сигнала передаются определенными напряжениями постоянного тока (DC), а амплитуда несущего сигнала остается постоянной в течение каждого битового интервала. В распространенном варианте NRZ с положительной логикой нижний уровень сигнала (0) соответствует более отрицательному напряжению, а верхний уровень сигнала (1) — более положительному напряжению.

В чём разница между NRZ и PAM4?

Скорость передачи данных

Поскольку каждый символ кодировки NRZ содержит только один бит логической информации, тогда как каждый символ PAM4 представляет два бита, битовая скорость NRZ равна скорости передачи символов NRZ, а битовая скорость PAM4 в два раза превышает скорость передачи символов PAM4. То есть:

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

Одним из примеров применения является высокоскоростной модуль 100G Single Lambda, такой как QSFP-100G-DR-S и QSFP-100G-FR-S, который может преобразовывать сигналы NRZ 4x25Gbps в сигнал PAM4l 1x50Gbaud.

SNR (отношение сигнал/шум) и коэффициент битовых ошибок (BER)

С точки зрения спектральной плотности мощности PAM4 формирует три различных глазковых диаграммы, тогда как NRZ характеризуется одной большой глазковой диаграммой. Глазковая диаграмма PAM4 выявляет присущие ему ограничения в отношении отношения сигнал/шум (SNR) и коэффициента битовых ошибок (BER). Поскольку амплитуда сигнала (высота глаза) PAM4 составляет лишь одну треть от амплитуды NRZ, уровни напряжения расположены ближе друг к другу, что делает PAM4 более уязвимым к шумовым помехам. Это увеличивает SNR PAM4 на -9.54 dB и приводит к более высокому BER.

В приемопередатчиках PAM4 необходимы усовершенствованные методы эквализации для устранения проблем с шумами. Эта дополнительная сложность делает конструкцию оптических модулей PAM4 более сложной и увеличивает энергопотребление по сравнению с другими решениями.

Потеря сигнала

PAM4 позволяет передавать вдвое больше данных, чем NRZ, за каждый символьный период. Поэтому при одинаковой битовой скорости скорость передачи символов составляет лишь половину скорости NRZ. Удвоенная эффективность передачи при использовании PAM4 значительно снижает потери сигнала, вызванные каналами передачи. Преимущество PAM4 заключается в том, что она обеспечивает более высокую скорость передачи данных по существующим каналам без увеличения скорости передачи символов и потерь сигнала в канале.

Энергопотребление

Для снижения BER при передаче PAM4 необходимы эквализация на стороне RX и повторная компенсация на стороне TX, причем обе операции потребляют больше энергии, чем NRZ. Однако передовая технология кремниевой фотоники (SiPh), применяемая в кремниевых фотонных оптических модулях, может решить эту проблему.

Каковы преимущества NRZ?

Основными преимуществами NRZ по сравнению с PAM4 являются лучшая устойчивость к шуму, более высокая способность коррекции ошибок и меньшее энергопотребление. Кроме того, поскольку качество сигнала NRZ относительно выше, чем у PAM4, механическая конструкция оптики NRZ проще и не требует сложных блоков обработки сигнала, таких как схема восстановления тактового сигнала. Стоимость устройства с модуляцией NRZ часто ниже, чем у PAM4.