Hohe Bandbreiten: Die Vorteile von PAM4 im Vergleich zu NRZ (PAM2)

| Autor / Redakteur: Alex Bailes * / Hendrik Härter

Geschwindigkeitsgrenzen ausdehnen: Mit PAM4 lässt sich im Vergleich zu NRZ (PAM2) bei gleicher Baudrate der Datendurchsatz verdoppeln.
Geschwindigkeitsgrenzen ausdehnen: Mit PAM4 lässt sich im Vergleich zu NRZ (PAM2) bei gleicher Baudrate der Datendurchsatz verdoppeln. (Bild: Keysight Technologies)

Mit PAM4 lassen sich bei gleicher Baudrate doppelt so viele Daten übertragen als bei NRZ (PAM2). Was der Entwickler beachten sollte und was PAM4 bringt, verraten wir im Beitrag.

Der Bedarf an hohen Bandbreiten für kommerzielle und industrielle Anwendungen steigt und damit auch schnelles Ethernet. Allerdings lassen sich die geforderten Datenraten mit herkömmlicher NRZ-Codierung (Non Return to Zero), die identisch mit PAM2-Codierung ist, kaum umsetzen. Hier hilft PAM4, was für Puls-Amplituden-Modulation mit vier diskreten Amplitudenwerten steht.

Doch zuerst ein Vergleich zwischen PAM4 vs. NRZ/PAM2: Bei NRZ (PAM2) werden zwei diskrete Amplitudenwerte verwendet und es wird ein Informationsbit pro Symbol verwendet (Bild 1a und 1b). Im Gegensatz dazu verwendet PAM4 (Bild 2a und 2b) vier diskrete Amplitudenwerte und überträgt zwei Informationsbits pro Symbol. Das Echtzeit-Augendiagramm zeigt dementsprechend drei Augenöffnungen sowie jeweils sechs Anstiegs- und Abfallflanken pro Symbol.

Das Echtzeit-Augendiagramm zeigt eine einzige Augenöffnung und jeweils eine Anstiegs- und Abfallflanke pro Symbol. Das Maß für den Datendurchsatz ist die in Baud (Bd) gemessene Symbolrate. 1 Bd = 1 Symbol pro Sekunde. Da PAM4 (Bild 3) zwei Informationsbits pro Symbol überträgt und NRZ (PAM2) nur eines, hat PAM4 bei gleicher Baudrate die doppelte Datenrate (in Bit/s).

Bei standardmäßiger (linearer) PAM4-Codierung unterscheiden sich einige benachbarte Symbole. Es handelt sich um 01 und 10 sowie 11 und 00 in zwei binären Ziffern. Dadurch treten zwei Bitfehler pro Symbol auf, wenn der Empfänger statt des tatsächlich gesendeten Amplitudenwertes den benachbarten erkennt. Verwendet man statt der linearen PAM4-Codierung eine Gray-Codierung (Bild 4), ist bei irrtümlicher Erkennung eines benachbarten Amplitudenwertes nur ein einziges Bit fehlerhaft. Dadurch verringert sich die Bitfehlerrate auf die Hälfte.

Taktversatz und vertikale Ausrichtung der Augen

Taktversatz kann die vertikale Ausrichtung der PAM4-Augen erheblich beeinflussen. Sind obere und untere Augen gegenüber den mittleren Augen nach links verschoben, dann wird das höchstwertige Bit (MSB) früher als das niederwertigste Bit (LSB) empfangen (Bild 5). Mit einer definierten Maske lässt sich vorgeben, wie viel Taktversatz akzeptabel ist. Beispielsweise kann die Maske eine Breite von 1/4 Unit Interval (UI) haben.

Driften die oberen und unteren Augen noch weiter von der Mitte der mittleren Augen weg, steigt die Symbolfehlerrate (SER) an und die Fehlerkorrektur wird aufwendiger. Auch wenn die Anstiegs- /Abfallzeiten der oberen, mittleren und unteren Augen sich voneinander unterscheiden oder infolge von Nichtlinearitäten und Amplitudenkompression einzelne Amplitudenpegel zu hoch oder zu niedrig sind, leidet darunter die Qualität der Augen. Im Bild 6 sind die unteren Augen zu niedrig und die oberen Augen zu hoch.

Wenn das Auge perfekt symmetrisch ist

Zur Quantifizierung der Senderlinearität des PAM4-Signals wird der mittlere Signalpegel der einzelnen PAM4-Symbole gemessen. Die Symbolpegel werden aus den Spannungspegeln V0, V1, V2 und V3 abgeleitet (Bild 7). Vmid ist der Mittelwert von V0 und V3. Um zu bestimmen, wie weit die tatsächlichen Symbolpegel von den idealen Symbolpegeln entfernt sind, wird der effektive Symbolpegel (ES) nach der angegebenen Formel berechnet. Im Idealfall wären ES1 und ES2 beide gleich 1/3. Dann hätten die Spannungspegel alle den gleichen Abstand voneinander und die Augen wären perfekt symmetrisch. Aus den effektiven Symbolpegeln lässt sich ein Pegelabstandsabweichungsverhältnis (RLM) berechnen, das im Idealfall, wenn alle PAM4-Augen symmetrisch und offen sind, gleich den Wert 1 annimmt.

Das Verhältnis de Pegelabstandsabweichung RLM berechnet sich wie folgt: RLM = min ((3x ES1), (3x ES2), 2 - 3x ES1), (2 - 3x ES2)).

Wie sich fehlerhafte Symbole korrigieren lassen

Auf dem Weg vom Sender zum Empfänger kann das zu übermittelndes Signal auf ganz unterschiedliche Arten gestört werden. Hier stellt sich die Frage, wie sich fehlerhafte Signale korrigieren lassen? Zum Einsatz kommen bewährte Fehlerkorrekturverfahren, die zumindest einen Teil der Signalfehler korrigieren können. Fehlerkorrektur hat den Vorteil, dass fehlerhafte – aber korrigierbare – Daten nicht erneut gesendet werden müssen. Das Reed-Solomon-Fehlerkorrekturverfahren eignet sich für PAM4, da es Burst-Fehler korrigieren kann (Bild 8). Es behandelt Symbole stets gleich, egal wie viele Bits ein Symbol überträgt. Die Effizienz des Reed-Solomon-Korrekturverfahrens wird nicht dadurch herabgesetzt und PAM4 überträgt zwei Bits pro Symbol, statt nur einem wie beim NRZ. Wie bei allen Fehlerkorrekturverfahren überträgt Reed-Solomon zusätzlich zu den Nutzdaten Paritätssymbole, die einen zusätzlichen Overhead im Datenstrom verursachen.

Grenzen von Geschwindigkeiten überwinden

Mit PAM4 lassen sich die Geschwindigkeitsgrenzen von NRZ (PAM2) überwinden und bei gleicher Baudrate der Datendurchsatz verdoppeln. Doch Entwickler müssen auch einiges beachten. Dazu gehören: Augenöffnung maximieren, Augensymmetrie optimieren und Taktversatz minimieren. Damit PAM4 erfolgreich implementiert werden kann, müssen Entwickler das Zusammenspiel dieser Charakteristiken verstehen. Der Beitrag in PAM4 ist lediglich als ein Vorgeschmack anzusehen, was PAM4 für Möglichkeiten bieten kann und zeigt gleichzeitig, welche Herausforderungen es künftig geben wird. Keysight Technologies hat wesentlich zur Entwicklung des Standards IEEE802.3bs und weiterer Ethernet-Standards beigetragen.

* Alex Bailes ist bei Keysight Technologies für die Produktplanung und das strategische Marketing Ethernet & Wireline verantwortlich.

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