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NRZ vs. PAM4: Unterschiede im Überblick

NRZ ist das grundlegendste Verfahren: Mit zwei Signalpegeln wird pro Symbol 1 Bit übertragen. PAM4 überträgt mit vier Pegeln 2 Bit pro Symbol; bei gleicher Bitrate genügt daher die halbe Baudrate (Symbole pro Sekunde), und die Verluste des Übertragungskanals bei hohen Frequenzen lassen sich vermeiden. Dafür liegen in derselben Amplitude drei Augen übereinander, sodass die Augenhöhe auf etwa 1/3 sinkt und das SNR um etwa 9,5 dB ungünstiger ist. Deshalb ist eine Vorwärtsfehlerkorrektur (FEC) bei PAM4-Verbindungen praktisch unverzichtbar.

MerkmalNRZPAM4
SignalpegelZwei (0 und 1)Vier (entsprechend den 2-Bit-Kombinationen 00, 01, 11, 10 usw.)
Bits pro Symbol1 Bit2 Bit
Baudrate bei gleicher BitrateGleich der Bitrate (z. B. 64 GBd bei 64 Gbit/s)Die Hälfte der Bitrate (z. B. 32 GBd bei 64 Gbit/s)
Nyquist-FrequenzDie Hälfte der Baudrate. Doppelt so hoch wie bei PAM4, daher hohe KanalverlusteDie Hälfte von NRZ. Auf demselben Kanal geringere Verluste
AugenöffnungEin großes AugeDrei übereinanderliegende Augen, jeweils etwa 1/3 so hoch wie bei NRZ
Erforderliches SNRReferenzBei gleicher Amplitude etwa 9,5 dB (20 log₁₀ 3) ungünstiger
FECKeine oder oft nur ein leichter CodePraktisch unverzichtbar. Eine gewisse Bitfehlerrate vor der FEC wird zugelassen und durch die FEC korrigiert. Die Latenz steigt entsprechend
Sende- und EmpfangsschaltungRelativ einfach. Entscheidung mit einer SchwelleEntscheidung mit drei Schwellen, hohe Linearität für gleichmäßige Pegelabstände nötig. Schnelle Ausführungen empfangen oft mit ADC und DSP
BitzuordnungEin Pegel entspricht einem BitGray-Code-Zuordnung, damit ein Fehler zwischen benachbarten Pegeln nur 1 Bitfehler verursacht
Beispiele für StandardsBis PCI Express 5.0 (32 GT/s), Ethernet bis zur 25-Gbit/s-Klasse pro LanePCI Express 6.0 (64 GT/s), Ethernet mit 50 Gbit/s oder 100 Gbit/s und mehr pro Lane, optische Transceiver im Rechenzentrum

Die Zahlenwerte sind typische Größenordnungen und variieren je nach Prozessgeneration und Produkt.

Wann welche Variante?

NRZ
Wenn die Geschwindigkeit pro Lane bei bis zu einigen zehn Gbit/s liegt und der Kanal genügend Reserven bei den Verlusten hat. Wenn die Schaltung einfach bleiben und die Latenz durch FEC vermieden werden soll.
PAM4
Wenn 50 Gbit/s oder mehr pro Lane benötigt werden und die Baudrate bei NRZ so hoch wäre, dass der Kanal die Verluste nicht verkraftet. Wird zusammen mit FEC und starker Entzerrung eingesetzt.
Grundgedanke
Es ist die Wahl zwischen höherer Baudrate und mehr Bits pro Symbol. PAM4 verwandelt ein Frequenzproblem in ein SNR-Problem und gleicht das Defizit mit FEC aus.

Häufige Fragen

Ist PAM4 schneller als NRZ?

Bei gleicher Baudrate überträgt PAM4 2 Bit pro Symbol und erreicht so die doppelte Bitrate. Umgekehrt lässt sich bei gleicher Bitrate die Baudrate halbieren. In beiden Fällen ist es ein Verfahren zur effizienteren Nutzung der Kanalbandbreite, das dafür störanfälliger ist.

Warum ist das SNR bei PAM4 um etwa 9,5 dB ungünstiger?

Derselbe Spannungshub wird in drei Abstände unterteilt, sodass der Unterschied zwischen benachbarten Pegeln nur etwa 1/3 von NRZ beträgt. Das entspricht einer auf 1/3 reduzierten Signalamplitude und damit einem Nachteil von 20 log₁₀ 3 ≈ 9,5 dB.

Warum braucht PAM4 FEC?

Die Pegelabstände sind klein, sodass Rauschen leicht zu Bitfehlern führt. Auch wenn die Bitfehlerrate vor der FEC relativ hoch ist, korrigiert der Fehlerkorrekturcode die Fehler gebündelt, sodass die Verbindung insgesamt die geforderte Fehlerrate erreicht. PCI Express 6.0 kombiniert eine leichte FEC mit geringer Latenz und eine Wiederholung der Übertragung bei erkannten Fehlern.

Warum ist PCI Express 6.0 auf PAM4 umgestiegen?

Würde man die 64 GT/s, also das Doppelte der 32 GT/s von PCI Express 5.0, mit NRZ übertragen, läge die Nyquist-Frequenz bei 32 GHz, und die Verluste in Leiterplatten und Steckverbindern würden zu groß. Mit PAM4 erreicht man bei unveränderten 32 GBd die doppelte Übertragungsrate.

Verständnis prüfen

Welche Aussage zu dem in PCI Express 6.0 eingeführten PAM4 (4-stufige Pulsamplitudenmodulation) ist richtig?

  1. APro Symbol wird 1 Bit gesendet, wobei zwei Spannungsstufen für 0 und 1 verwendet werden
  2. BMit vier Spannungsstufen werden pro Symbol 2 Bit gesendet, sodass bei gleicher Symbolrate die Bitrate verdoppelt werden kann
  3. CEs ist ein Verfahren, das nur bei Glasfasern, nicht aber bei Kupferleitungen eingesetzt werden kann
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Antwort: B. Mit vier Spannungsstufen werden pro Symbol 2 Bit gesendet, sodass bei gleicher Symbolrate die Bitrate verdoppelt werden kann

Das bisherige NRZ sendet mit zwei Spannungsstufen 1 Bit pro Symbol. PAM4 stellt mit vier Spannungsstufen 00, 01, 10 und 11 dar und kann daher mit einem Symbol 2 Bit senden. Da ein Übertragungsweg das Signal bei höherer Frequenz stärker abschwächt, liegt der Vorteil darin, dass sich die Bitrate verdoppeln lässt, ohne die Symbolrate zu erhöhen. PCI Express 6.0 erreicht mit PAM4 bei derselben Symbolrate wie Generation 5 64 GT/s.

Warum wird bei Verwendung von PAM4 die Vorwärtsfehlerkorrektur (FEC) im Vergleich zu NRZ wichtiger?

  1. AWeil sich bei PAM4 der Takt nicht zurückgewinnen lässt, sodass bei jedem Mal Fehler auftreten
  2. BWeil 4 Stufen in dieselbe Amplitude gelegt werden, der Abstand zwischen den Stufen auf etwa 1/3 sinkt und Bits durch Rauschen leichter falsch bestimmt werden
  3. CWeil das PAM4-Signal verschlüsselt ist und Entschlüsselungsfehler korrigiert werden müssen
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Antwort: B. Weil 4 Stufen in dieselbe Amplitude gelegt werden, der Abstand zwischen den Stufen auf etwa 1/3 sinkt und Bits durch Rauschen leichter falsch bestimmt werden

Bei gleichem Spannungshub hat das zweistufige NRZ zwischen 0 und 1 den vollen Hub als Abstand, beim vierstufigen PAM4 beträgt der Abstand zur benachbarten Stufe nur etwa 1/3. Die Rauschreserve sinkt um etwa 9,5 dB, sodass Bitfehler leichter auftreten. Bei PCI Express 6.0 wird daher ein leichter Fehlerkorrekturcode hinzugefügt, und kleine Fehler werden auf der Empfangsseite korrigiert, bevor die Daten verwendet werden.

Welche Aussage zum Augendiagramm (Eye Diagram) zur Beurteilung der Qualität schneller serieller Signale ist richtig?

  1. AEs ist eine Überlagerung der Signalverläufe vieler Bits, und je weiter das „Auge“ in der Mitte in senkrechter und waagerechter Richtung geöffnet ist, desto größer ist die Reserve
  2. BJe geschlossener das Auge, desto besser die Signalqualität
  3. CEs ist ein Diagramm zur Untersuchung des Gesundheitszustands menschlicher Augen
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Antwort: A. Es ist eine Überlagerung der Signalverläufe vieler Bits, und je weiter das „Auge“ in der Mitte in senkrechter und waagerechter Richtung geöffnet ist, desto größer ist die Reserve

Ein Augendiagramm entsteht, indem der Signalverlauf in Abschnitte je eines Bitintervalls geschnitten und übereinandergelegt wird. Zwischen den Verläufen von 0 und 1 entsteht eine augenförmige Lücke, deren Höhe die Reserve gegenüber Rauschen und deren Breite die Reserve gegenüber Zeitversatz (Jitter) darstellt. Bei großen Verlusten und Reflexionen des Übertragungswegs sowie bei großem Jitter schließt sich das Auge. Die Empfangsschaltung entscheidet in der Mitte dieses Auges über das Bit, sodass die Öffnung des Auges ein Maß für die Qualität ist.

  1. Welcher Wert liegt der Symbolrate (Anzahl der Symbole pro Sekunde) am nächsten, wenn mit PAM4 ein Signal von etwa 106 Gb/s pro Wellenlänge (einschließlich Fehlerkorrekturcodes usw.) übertragen wird?
  2. Welche Größe wird beim in Rechenzentren weit verbreiteten Verfahren mit Intensitätsmodulation und Direktdetektion (IM-DD) bei Verwendung von PAM4 auf vier Werte verändert?
  3. Schnelle Verbindungen wie 100-Gigabit-Ethernet werden mitunter durch Bündeln von z. B. vier 25-Gb/s-Lanes aufgebaut. Welche Aussage zu diesem Gedanken ist richtig?

Übungsfragen zu Schnittstellen und Busstandards

Wichtige Begriffe erklärt

NRZ (Non-Return-to-Zero)
Grundlegendstes Übertragungsverfahren, das mit zwei Spannungspegeln ein Bit pro Symbol überträgt. Abkürzung für Non-Return-to-Zero.
PAM4
Modulationsverfahren, das mit vier Spannungsstufen 2 Bit pro Symbol überträgt. Bei gleicher Symbolrate verdoppelt sich die Bitrate, der Rauschabstand wird jedoch kleiner.
Augendiagramm (Eye Diagram)
Darstellung, in der die Signalverläufe vieler Bits periodenweise übereinandergelegt sind. Die Höhe der Augenöffnung zeigt die Rauschreserve, die Breite die Reserve gegenüber Timing-Abweichungen.
SerDes
Serializer/Deserializer. Schaltung, die auf der Senderseite chipinterne parallele Daten in einen einzelnen schnellen Bitstrom wandelt und auf der Empfängerseite in parallele Daten zurückwandelt. Kern der physikalischen Schicht schneller serieller Übertragung.

Verwandte Vergleiche