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400G以太网中的PAM4是什么?与NRZ有什么区别?

2020年03月30日 5283

在快速增长的网络流量需求下,400G传输方案相继被提出,而PAM4作为下一代数据中心高速互连的热门信号传输技术,被广泛应用于400G接口的电信号或光信号传输。您对PAM4了解多少?它与NRZ有什么区别?400G以太网为什么要采用该项技术?本文将为您解疑答惑。

PAM4是什么?与NRZ有什么区别?

PAM4(四电平脉冲幅度调制)是一种PAM(脉冲幅度调制)调制技术。与NZR信号传输技术(PAM2)不同的是,PAM4采用4个不同的信号电平来进行信号传输,每个符号周期可以表示2个bit的逻辑信息(0、1、2、3),也就是一个时间单位内是四个电平。因此,在相同的波特率下,PAM4吐吞量是NRZ的两倍,也就是说,PAM4可以在不另外新增光纤的基础上增加网络带宽,有效提升带宽利用率。

NRZ和PAM4.png

注:NRZ采用两种信号电平来进行信号传输,每个符号周期可传输1bit的逻辑信息(1、0)。

与此同时,PAM4采用高阶调制格式,可降低光学器件的采用数量,降低对光学器件性能的要求,以及不同因公场合的性能,使成本、功耗以及密度达到平衡。

其实,早在制定100以太网标准时,PAM4就被视为可替代的调制技术,但当时由于成本较高且技术不够成熟,导致它并未在100G以太网的技术中真正被应用。但现在25G波特率和50G波特率的PAM4被广泛应用于数据中心中,如200G/400G以太网。

400G以太网为什么要采用PAM4技术?

起初,在制定新一代的200G/400G接口标准时,如400GBASE-SR16,也没有考虑到PAM4技术,而是采用的NRZ技术,通过并行16条25Gbps达到400G传输速率,但是该方案需要大量的光纤,不够经济可行,而且该方式的收发芯片时间裕量、传输链路损耗以及尺寸都无法满足400G以太网的诉求,因此,400GBASE-SR16接口的设计并不符合400G数据中心应用,且将不会得到正式商用。

考虑到上述原因,在IEEE协会制定802.3bs标准时,提出了由PAM4替代NRZ,经过多方对PAM4信号的特性及参数测试进行深入的研究,该提案最终被通过。随后基于PAM4技术的400GBASE-LR8/400GBASE-FR8接口标准颁布,成为了第一个400G接口标准。该接口标准采用了8*50Gbps PAM4技术实现400G传输,不再像NRZ一样,需要使用16条25G通道实现400G传输,这样一来,既能节省光纤成本又能降低链路损耗。

PAM4在400G光模块中的应用

目前,4*100G PAM4和8*50G PMA4的400G接口标准已由IEEE工作组正式提出,并应用在400G光模块中。具体如下:

标准 光模块类型 最大传输距离 光纤类型 通道 信号传输技术
IEEE802.3bs 400GBASE-DR4 500米 单模光纤/td> 4*100G PAM4
IEEE802.3bs 400GBASE-FE8 2千米 单模光纤 8*50G PAM4
IEEE802.3bs 400GBASE-LR8 10千米 单模光纤 8*50G PAM4
IEEEP802.3cm 400GBASE-SR8 100米 多模光纤 8*50G PAM4
IEEEP802.3cm 400GBASE-SR4.2 100米 多模光纤 8*50G PAM4
IEEEP802.3cn 400GBASE-ER8 40千米 单模光纤 8*50G PAM4
100G Lambda 多源协议(MSA) 400GBASE-FR4 2千米 单模光纤 4*100G PAM4
100G Lambda 多源协议(MSA) 400GBASE-LR4 10千米 单模光纤 4*100G PAM4

总结

随着大数据和云计算的到来,流量的快速增长迫使信号调制技术朝着更复杂发展,PAM4作为目前最高效的调制技术,已然成为了400G高速连接接口发展的必然趋势,而随着PAM4信号调制技术的日益成熟,越来越多的芯片制造商以及光模块供应商开始利用PAM4信号调制技术研发生产200G/400G产品,让其从理论转战到实际应用中。未来, PAM4将凭借着自身的优势(如高性能等)成为400G以太网信号调制的主流方式。

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