PAM4テクノロジーの紹介

PAM4技術を理解する前に、変調技術とは何か？変調技術とは、ベースバンド信号（生の電気信号）を伝送信号に変換する技術です。通信効率を確保し、長距離信号伝送における問題を克服するためには、変調によって信号スペクトルを高周波チャネルに転送し、伝送する必要があります。

PAM4 は、第 4 次パルス振幅変調 (PAM) 変調技術です。

PAM 信号は、NRZ (Non Return to Zero) に次ぐ人気の信号伝送技術です。

NRZ 信号は、高と低の 2 つの信号レベルを使用してデジタル論理信号の 1 と 0 を表し、クロック サイクルごとに 1 ビットの論理情報を送信できます。

PAM4 信号は信号伝送に 4 つの異なる信号レベルを使用し、各クロック サイクルで 00、01、10、11 の 2 ビットの論理情報を送信できます。
したがって、同じボーレート条件下では、PAM4 信号のビットレートは NRZ 信号の 2 倍となり、伝送効率が 2 倍になり、コストが効果的に削減されます。

PAM4技術は高速信号相互接続分野で広く利用されています。現在、データセンター向けにPAM4変調技術に基づく400G光トランシーバーモジュール、5G相互接続ネットワーク向けにPAM4変調技術に基づく50G光トランシーバーモジュールが存在します。

PAM4変調に基づく400G DML光トランシーバモジュールの実装プロセスは次のとおりです。ユニット信号を送信する場合、受信した16チャネルの25G NRZ電気信号が電気インターフェースユニットから入力され、DSPプロセッサによって前処理され、PAM4変調され、8チャネルの25G PAM4電気信号を出力し、ドライバチップにロードされます。高速電気信号は、8チャネルのレーザーを介して8チャネルの50Gbps高速光信号に変換され、波長分割多重化装置によって結合され、1チャネルの400G高速光信号出力に合成されます。ユニット信号を受信する場合、受信した1チャネルの400G高速光信号は、光インターフェースユニットを介して入力され、デマルチプレクサを介して8チャネルの50Gbps高速光信号に変換され、光受信機で受信され、電気信号に変換されます。 DSP処理チップによるクロックリカバリ、増幅、イコライゼーション、PAM4復調を経て、電気信号は16チャネルの25G NRZ電気信号に変換されます。

PAM4変調技術を400Gb/s光モジュールに適用します。PAM4変調に基づく400Gb/s光モジュールは、NRZに比べて高次の変調技術を採用しているため、送信側で必要なレーザー数を削減でき、受信側で必要な受信機数も削減できます。PAM4変調は光モジュール内の光学部品数を削減するため、組み立てコストの削減、消費電力の削減、パッケージサイズの小型化などのメリットをもたらします。

5G伝送およびバックホールネットワークでは50Gbit/s光モジュールの需要があり、低コストで高帯域幅の要件を満たすために、25G光デバイスをベースにPAM4パルス振幅変調フォーマットを補完したソリューションが採用されています。

PAM-4信号を説明する際には、ボーレートとビットレートの違いに注意することが重要です。従来のNRZ信号の場合、1つのシンボルが1ビットのデータを送信するため、ビットレートとボーレートは同じです。たとえば、100Gイーサネットでは、4つの25.78125GBaud信号を使用して送信すると、各信号のビットレートも25.78125Gbpsとなり、4つの信号で100Gbpsの信号伝送を実現します。PAM-4信号の場合、1つのシンボルが2ビットのデータを送信するため、送信できるビットレートはボーレートの2倍です。たとえば、200Gイーサネットで4チャネルの26.5625GBaud信号を使用して送信すると、各チャネルのビットレートは53.125Gbpsとなり、4チャネルの信号で200Gbpsの信号伝送を実現できます。400Gイーサネットでは、8チャネルの26.5625GBaud信号で実現できます。