Nederlands
Menu

NRZ versus PAM4: bits per symbool, baudrate, oog en FEC

NRZ is de meest basale methode, die met twee signaalniveaus één bit per symbool verstuurt. PAM4 verstuurt met vier niveaus twee bits per symbool, zodat bij dezelfde bitrate de baudrate (symbolen per seconde) gehalveerd wordt en de verliezen van het transmissiekanaal bij hoge frequenties worden vermeden. Daar staat tegenover dat binnen dezelfde amplitude drie ogen boven elkaar liggen, zodat de ooghoogte ongeveer 1/3 wordt en de SNR ongeveer 9,5 dB ongunstiger is. Daarom is forward error correction (FEC) bij PAM4-verbindingen vrijwel onmisbaar.

KenmerkNRZPAM4
SignaalniveausTwee (0 en 1)Vier (overeenkomend met combinaties van 2 bits, zoals 00, 01, 11 en 10)
Bits per symbool1 bit2 bits
Baudrate bij dezelfde bitrateGelijk aan de bitrate (bijv. 64 GBd bij 64 Gbit/s)De helft van de bitrate (bijv. 32 GBd bij 64 Gbit/s)
NyquistfrequentieDe helft van de baudrate. Twee keer die van PAM4, met grotere kanaalverliezenDe helft van die van NRZ. Kleinere verliezen over hetzelfde kanaal
OogopeningEén groot oogDrie ogen boven elkaar, elk ongeveer 1/3 zo hoog als bij NRZ
Vereiste SNRReferentieBij dezelfde amplitude ongeveer 9,5 dB (20 log₁₀ 3) ongunstiger
FECGeen, of vaak volstaat een lichte codeVrijwel onmisbaar. Een zekere bitfoutkans vóór FEC wordt toegestaan en door FEC gecorrigeerd. Dat verhoogt de latentie
Zend- en ontvangschakelingenRelatief eenvoudig. Beslissing met één drempelBeslissing met drie drempels; hoge lineariteit nodig om de niveauafstanden gelijk te houden. Snelle typen ontvangen vaak met een ADC en DSP
Toewijzing van bitsElk niveau komt overeen met één bitGraycodering, zodat een fout naar een naburig niveau slechts één bitfout geeft
Voorbeelden van standaardenPCI Express tot en met 5.0 (32 GT/s), Ethernet tot de klasse van 25 Gbit/s per lanePCI Express 6.0 (64 GT/s), Ethernet met 50 Gbit/s of 100 Gbit/s en meer per lane, optische transceivers in datacenters

De getalswaarden zijn typische ordegroottes en variëren per procesgeneratie en product.

Wanneer welke variant?

NRZ
Wanneer de snelheid per lane tot enkele tientallen Gbit/s gaat en er marge is in de kanaalverliezen. Wanneer de schakeling eenvoudig moet blijven en de latentie van FEC moet worden vermeden.
PAM4
Wanneer 50 Gbit/s of meer per lane nodig is en de baudrate met NRZ zo hoog zou worden dat het kanaal de verliezen niet aankan. Wordt gebruikt samen met FEC en sterke egalisatie.
Afweging
Het is een keuze tussen een hogere baudrate en meer bits per symbool. PAM4 ruilt een frequentieprobleem in voor een SNR-probleem en vult het tekort aan met FEC.

Veelgestelde vragen

Is PAM4 sneller dan NRZ?

Bij dezelfde baudrate verstuurt PAM4 twee bits per symbool, dus is de bitrate twee keer zo hoog. Omgekeerd kan bij dezelfde bitrate de baudrate worden gehalveerd. In beide gevallen is het een methode om de bandbreedte van het kanaal efficiënter te benutten, met als prijs een grotere gevoeligheid voor ruis.

Waarom is PAM4 ongeveer 9,5 dB ongunstiger in SNR?

Dezelfde spanningszwaai wordt in drie intervallen verdeeld, zodat het verschil tussen naburige niveaus ongeveer 1/3 van dat bij NRZ is. Dat komt neer op een signaalamplitude van 1/3, dus een nadeel van 20 log₁₀ 3 ≈ 9,5 dB.

Waarom heeft PAM4 FEC nodig?

De niveaus liggen dicht bij elkaar, zodat ruis gemakkelijk bitfouten veroorzaakt. Ook als de bitfoutkans vóór FEC vrij hoog is, haalt de verbinding als geheel de vereiste foutkans doordat een foutcorrigerende code de fouten in één keer herstelt. PCI Express 6.0 combineert een lichte FEC met beperkte latentie met hertransmissie bij gedetecteerde fouten.

Waarom stapte PCI Express 6.0 over op PAM4?

Om 64 GT/s, het dubbele van de 32 GT/s van PCI Express 5.0, met NRZ te versturen zou de Nyquistfrequentie 32 GHz worden, en dan worden de verliezen in printplaten en connectoren te groot. Met PAM4 wordt bij 32 GBd de dubbele overdrachtssnelheid gehaald.

Test uw begrip

Welke eigenschap van PAM4 (pulsamplitudemodulatie met vier niveaus), dat in PCI Express 6.0 wordt gebruikt, is juist?

  1. AEén symbool verzendt 1 bit met twee spanningsniveaus, 0 en 1
  2. BMet vier spanningsniveaus worden 2 bits per symbool verzonden, zodat de bitsnelheid bij dezelfde symboolsnelheid kan worden verdubbeld
  3. CEen methode die alleen met glasvezel kan worden gebruikt en niet met koperdraad
Antwoord en toelichting tonen

Antwoord: B. Met vier spanningsniveaus worden 2 bits per symbool verzonden, zodat de bitsnelheid bij dezelfde symboolsnelheid kan worden verdubbeld

Het conventionele NRZ verzendt met twee spanningsniveaus 1 bit per symbool. PAM4 stelt met vier spanningsniveaus 00, 01, 10 en 11 voor en kan dus 2 bits per symbool verzenden. Omdat een transmissielijn het signaal sterker dempt naarmate de frequentie hoger is, is het voordeel dat de bitsnelheid kan worden verdubbeld zonder de symboolsnelheid te verhogen. PCI Express 6.0 haalt met PAM4 64 GT/s bij dezelfde symboolsnelheid als generatie 5.

Wat is de juiste reden dat foutcorrectie (FEC) bij PAM4 belangrijker is dan bij NRZ?

  1. AOmdat bij PAM4 de klok niet kan worden teruggewonnen en dus elke keer fouten optreden
  2. BOmdat vier niveaus in dezelfde amplitude worden geplaatst, de afstand tussen niveaus ongeveer 1/3 wordt en bits door ruis gemakkelijker foutief worden bepaald
  3. COmdat PAM4-signalen zijn versleuteld en decoderingsfouten moeten worden gecorrigeerd
Antwoord en toelichting tonen

Antwoord: B. Omdat vier niveaus in dezelfde amplitude worden geplaatst, de afstand tussen niveaus ongeveer 1/3 wordt en bits door ruis gemakkelijker foutief worden bepaald

Bij dezelfde spanningszwaai heeft NRZ met twee niveaus tussen 0 en 1 de volledige zwaai als afstand, maar bij PAM4 met vier niveaus is de afstand tot het naburige niveau ongeveer 1/3. De ruismarge wordt ongeveer 9,5 dB kleiner, zodat bitfouten gemakkelijker optreden. Daarom voegt PCI Express 6.0 een lichte foutcorrectiecode toe en corrigeert de ontvanger kleine fouten voordat de data worden gebruikt.

Welke uitspraak over het oogpatroon (oogdiagram) om de kwaliteit van snelle seriële signalen te beoordelen, is juist?

  1. AHet is een weergave van over elkaar getekende golfvormen van veel bits, waarbij het „oog” in het midden zowel verticaal als horizontaal groter open is naarmate de marge groter is
  2. BHoe meer het oog gesloten is, hoe beter de signaalkwaliteit
  3. CHet is een diagram om de gezondheid van menselijke ogen te onderzoeken
Antwoord en toelichting tonen

Antwoord: A. Het is een weergave van over elkaar getekende golfvormen van veel bits, waarbij het „oog” in het midden zowel verticaal als horizontaal groter open is naarmate de marge groter is

Een oogpatroon ontstaat door de golfvorm per bitperiode uit te knippen en over elkaar te tekenen. Tussen de golfvormen van 0 en 1 ontstaat een ooggevormde opening, waarvan de hoogte de marge ten opzichte van ruis aangeeft en de breedte de marge ten opzichte van timingafwijking (jitter). Bij groot verlies, reflecties of jitter van de transmissielijn sluit het oog. Omdat het ontvangstcircuit de bits in het midden van dit oog bepaalt, is de openheid van het oog een maat voor de kwaliteit.

  1. Welke waarde ligt het dichtst bij de symboolsnelheid (aantal symbolen per seconde) bij het verzenden van een signaal van circa 106 Gb/s per golflengte (inclusief foutcorrectiecodes en dergelijke) met PAM4?
  2. Wat wordt bij gebruik van PAM4 in de intensiteitsmodulatie/directe-detectiemethode (IM-DD), die veel wordt gebruikt voor optische verbindingen in datacenters, in vier waarden gevarieerd?
  3. Snelle verbindingen zoals 100 gigabit Ethernet worden soms gemaakt door bijvoorbeeld 4 lanes van 25 Gb/s te bundelen. Welke uitleg van dit principe is juist?

Oefenvragen over Interfaces en busstandaarden

Belangrijke termen uitgelegd

NRZ
Meest basale transmissiemethode, die met twee spanningsniveaus 1 bit per symbool verzendt. Afkorting van Non-Return-to-Zero.
PAM4
Modulatiemethode die met vier spanningsniveaus 2 bits per symbool verzendt. Bij dezelfde symboolsnelheid verdubbelt de bitsnelheid, maar de ruismarge wordt kleiner.
Oogpatroon (eye diagram)
Diagram waarin de golfvormen van veel bits per periode over elkaar heen zijn getekend. De hoogte van het oog in het midden geeft de marge tegen ruis weer en de breedte de marge tegen timingafwijking.
SerDes
Serializer/deserializer. Schakeling die aan de zendkant de parallelle data in de chip omzet in één snelle bitstroom en aan de ontvangkant weer in de oorspronkelijke parallelle data. Kern van de fysieke laag van snelle seriële transmissie.

Verwante vergelijkingen