PAM4とNRZの意味・違いとは
2022年6月30日読了時間約1分
クラウドコンピューティング、ビッグデータなど時代のトレンドに乗り、インターネットトラフィックは指数関数的な増加を遂げ、400Gイーサネットの台頭を推進しています。ニーズの急増に見合うために、データセンターにおける広帯域通信技術の革新が必要とされています。現在、NRZ（Non Return to Zero、非ゼロ復帰）とPAM4（Pulse Amplitude Modulation 4、ぱむふぉーとも読む）、この２種類の信号変調技術は超高速通信ネットワークの構築において広く使用されています。
NRZとPAM4の意味
NRZとは
NRZ（非ゼロ復帰）とはNon Return to Zeroの略語で、電気通信の信号伝送で使用されたバイナリコードで、各ビットの間で電圧が「ゼロ（0V）」に戻る必要がない変調方式です。データビット1は正の電圧で、データビット0は負の電圧という２つの状態を表し、ビットの値1、0に応じて、信号の高または低を決められた電圧で送り出します。
NRZインターフェースの仕組み
多くのネットワーク機器において主流となっている100G QSFP28光トランシーバー（主に100G SR4、LR4、CWDM4）内部では、NRZを採用して電気信号と光信号の相互変換をしています。
下図に示しているように、電気側インターフェースは4レーン（各レーン25Gbps）となっています。その一方、光側インターフェースでは異なる規格によって、光信号を多重して1芯の光ファイバとパラレルの光ファイバーで出力する違いがありますが、いずれも光トランシーバー内部で4レーンの伝送となっています。
PAM4とは
PAM4はPulse Amplitude Modulation 4の略語で、2つのビットを重ねて4つの電圧レベルを用いる信号伝送方式です。下図のように、一段目（00）、二段目（01）、3段目（10）、4段目（11）と4段階となります。
PAM4インターフェースの仕組み
既存のQSFP＋またQSFP28光トランシーバーと共通の筐体外形を持つ400G QSFP56ｰDDは電気側と光側ともにPAM4を採用しています。
下図の示しているように、400Gのレート拡張のために、電気側インターフェースの信号密度は従来のQSFP＋の2倍となっています。それにより、電気側インターフェースは8レート（各レーン50Gbps）となっている一方、光側インターフェースはQSFP28と同じように4レート（各レーン100Gbps）となっています。（400G SR8 以外）関連記事：「400G-SR4.2と400G-SR8の違い、IEEE 802.3cmによる規格標準化」
従って、同じ周波数の信号でもPAM4はNRZの2倍の情報を伝送することができます。例えば、10GHzの周波数の信号をNRZで伝送すると、帯域は10×2bitで20Gbpsに対して、PAM4で伝送すると帯域は10×4bitで40Gbpsになります。
PAM4とNRZの違い
ビットレート（ビット速度）
ビットレートは変調速度（ボーレート、symbol/s） × シンボルビット数（bit/symbol）です。NRZ変調方式ではシンボルビット数は1bit/symbolで、PAM4変調方式ではシンボルビット数は2bit/symbolで、例えば、400GｰDRでは50GボーレートNRZのビットレートは50Gボーレート × 1bit/symbol = 50G bit/sに対して、PAM4のビットレートは50Gボーレート × 2bit/symbol = 100G bit/sです。そのため、同じボーレートであればPAM4のビットレートが2倍になり、400Gなどの高速光通信の効率を高めることができます。具体的には、400Gbpsのイーサネットインターフェースを、PAM4変調により50Gbpsで8レーン、100Gbpsで4レーン実現することができるのです。
信号損失
上記の通り、PAM4はNRZに比べ、1周期あたり2倍の情報量を伝送することができます。そのため、同じビットレートであれば、PAM4のボーレートはNRZの半分になることで、PAM4信号の伝送による信号損失が大幅に低減されます。PAM4のその重要なメリットにより、ボーレートを2倍にしてチャネル損失が増やす代わりに、既存のチャネルと相互接続をより高いビットレートで使用できます。
信号雑音比（SN比）とビット誤り率（BER）
SN比とは信号雑音比（signal-noise ratio）の略語で、SNR、S/Nとも書かれ、その名の通り、信号と雑音の比です。そのため、SN比は高ければ伝送における雑音の影響が小さいに対して、小さければ雑音の影響が大きいです。
BERとはビット誤り率（Bit Error Rate）の略語で、受信側が受け入れたすべてデータに対する誤ったデータの比率です。誤ったビット数と受信したすべてのビット数の比です。
下図によると、PAM4のアイパターン高さはNRZの1/3であるため、PAM4では4つの異なるレベルの光信号を識別する必要があります。したがって、NRZより、PAM4の信号雑音比（SN比）は約9.5dB劣化し、先ほど述べた通り、SN比は小さければ雑音の影響が大きいため、ノイズの影響を非常に受けやすく、エラー（誤り）が発生し、ビット誤り率（BER）が高くなります。そこで、400Gイーサネットでは、前方誤り訂正技術（FEC）（関連記事）が必要です。
消費電力
PAM4チャネルのビット誤り率（BER）を低減するには、PAM4 リンクの Rx 端でのイコライゼーションとTx 端での事前補正が必要です。決められたクロックレート（単位：HZ）に対して、どちらもNRZリンクより、余分な電力を消費します。つまり、PAM4トランシーバーはリンクの各端末でより多くの熱を発生させるようになります。
しかし、最先端のシリコンフォトニクス（SiPh）はエネルギー消費を効果的に削減することができ、400Gトランシーバーに使用することができます。例えば、FS シリコンフォトニクス 400Gトランシーバー（関連製品）は、SiPhチップとPAM4信号を組み合わせており、400Gデータセンター向けのコスト効率と消費電力の低いソリューションとなっています。
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