PAM4テクノロジー入門

PAM4技術を理解する前に、変調技術とは何かを説明しましょう。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、信号スペクトルを変調によって高周波チャネルに変換し、伝送する必要があります。

PAM4は、4次パルス振幅変調（PAM）変調技術である。

PAM信号は、NRZ（非ゼロ復帰）に次いで普及している信号伝送技術です。

NRZ信号は、デジタル論理信号の1と0を表すために、高レベルと低レベルの2つの信号レベルを使用し、クロックサイクルごとに1ビットの論理情報を伝送できます。

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2ビットの論理情報（00、01、10、11）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、コストを効果的に削減できます。

PAM4技術は、高速信号相互接続の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はPAM4変調技術を用いた400G光トランシーバーモジュールが、5G相互接続ネットワーク向けにはPAM4変調技術を用いた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光トランシーバー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際、受信した16チャンネルの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変調されて、8チャンネルの25G PAM4電気信号が出力され、ドライバチップにロードされます。高速電気信号は、8チャンネルのレーザーを介して8チャンネルの50Gbps高速光信号に変換され、波長分割多重器によって結合され、1チャンネルの400G高速光信号として合成されて出力されます。ユニット信号を受信する際、受信した1チャンネルの400G高速光信号が光インターフェースユニットを介して入力され、デマルチプレクサによって8チャンネルの50Gbps高速光信号に変換され、光受信機によって受信され、電気信号に変換されます。クロックリカバリ、増幅、等化、およびDSP処理チップによるPAM4復調の後、電気信号は16チャンネルの25G NRZ電気信号に変換される。

400Gb/s光モジュールにPAM4変調技術を適用します。PAM4変調に基づく400Gb/s光モジュールは、NRZと比較して高次の変調技術を使用するため、送信側で必要なレーザーの数を削減でき、それに伴い受信側で必要な受信機の数も削減できます。PAM4変調は光モジュール内の光部品数を削減するため、組み立てコストの削減、消費電力の低減、パッケージサイズの小型化といった利点が得られます。

5G伝送およびバックホールネットワークでは50Gbit/sの光モジュールに対する需要があり、低コストかつ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パルス振幅変調方式を補完したソリューションが採用されている。

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信号では、1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場合、各信号のビットレートも25.78125Gbpsとなり、4つの信号で100Gbpsの信号伝送が実現します。PAM-4信号では、1シンボルが2ビットのデータを送信するため、送信可能なビットレートはボーレートの2倍になります。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場合、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の信号伝送が実現します。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。