PAM4 (Modulación de Amplitud de Pulso de 4 Niveles) es una técnica de modulación para la transmisión de señales de alta velocidad . Mejora el sistema tradicional de doble nivel (NRZ, sin retorno a cero) a cuatro niveles de señal diferentes , lo que permite la transmisión de 2 bits de datos por período de símbolo, duplicando así el rendimiento de datos sin aumentar el ancho de banda. Es la tecnología central de las interconexiones de alta velocidad de próxima generación, como Ethernet 400G/800G/1.6T y PCIe 6.0.
Principio de funcionamiento de PAM4
Para comprenderlo mejor, podemos empezar por analizar las técnicas tradicionales:
- NRZ (Código sin retorno a cero, PAM2)): Se utiliza comúnmente en señales tradicionales de alta velocidad. Solo utiliza dos niveles, alto y bajo, que representan los números. “1” y “0” respectivamente. Un ciclo de señal solo puede transmitir 1 bits de información (2 elevado a la potencia de 2 = 2 estados).
- PAM4: Utiliza cuatro niveles de voltaje diferentes (generalmente etiquetados como 0, 1, 2, 3 o -3, -1, +1, +3). Cada nivel puede corresponder a una combinación de 2 bits (00, 01, 10, 11). Por lo tanto, un ciclo de señal puede transmitir 2 bits de de información (2 elevado a la potencia de 2 = 4 estados).
| De Sabor modo | NRZ (PAM2) | PAM4 |
| Número de niveles | 2 (0,1) | 4 (00，01，10，11） |
| Información por ciclo | 1 bits | 2 bits de |
| Relación señal a ruido (SNR) | higher | Menor (más sensible) |
| Tasa a la misma velocidad de baudios | punto de referencia | 2 equipos |
| Postulación | 100G o menos | 400G/800G/1.6T |
La tecnología PAM4 duplica la velocidad de transmisión de datos manteniendo la misma velocidad en baudios (velocidad de símbolos).
¿Por qué necesitamos PAM4?
Con el desarrollo de la inteligencia artificial, la computación en la nube y el big data, la demanda de ancho de banda en los centros de datos se ha disparado. Anteriormente, aumentar la frecuencia para mejorar la velocidad de la red generaba cuellos de botella físicos debido a la excesiva pérdida de señal (atenuación) en los cables de cobre o las fibras ópticas. La tecnología PAM4 puede duplicar el ancho de banda sin aumentar significativamente la frecuencia física , lo que la convierte en la tecnología clave para actualizar de Ethernet de 100G a 400G, 800G o incluso 1.6T.
Por ejemplo, un enlace PAM4 que funciona a 28 Gbaud (28 millones de símbolos por segundo) puede alcanzar una velocidad de transmisión de 56 Gbps. NRZ solo puede alcanzar 28 Gbps a 28 Gbaud. Esto es crucial para empresas en crecimiento como la computación en la nube, los clústeres de potencia de computación de IA y la transmisión de video, ya que permite a los fabricantes alcanzar fácilmente velocidades de transmisión de un solo canal de 50G, 100G o incluso 200G sin aumentar significativamente la frecuencia del reloj del sistema (lo que puede provocar un aumento en el consumo de energía y los costos).
Ventajas y desafíos de PAM4
Ventaja:
- Duplicar la eficiencia del ancho de bandaCon la misma velocidad de transmisión de señal, la velocidad de transmisión de datos de PAM4 duplica la de NRZ tradicional, lo que mejora eficazmente la utilización del ancho de banda.
- Reduzca los requisitos de frecuencia: Al alcanzar la misma velocidad, la frecuencia de Nyquist de PAM4 es solo la mitad de la de NRZ, lo que reduce la pérdida dependiente de la frecuencia en la ruta de transmisión.
- Ahorro de costes: El ancho de banda de la red se puede ampliar sin necesidad de fibras o canales físicos adicionales.
Desafío (Limitaciones):
- Requisitos de mayor relación señal/ruido (SNR).Al aumentar el nivel de señal de 2 a 4, la separación entre niveles se reduce, lo que aumenta su sensibilidad al ruido, la diafonía y la distorsión. En teoría, PAM4 requiere una relación señal/ruido aproximadamente 9.5 dB mayor que NRZ.
- Equipos más complejosPara garantizar una transmisión de señal precisa, el sistema generalmente necesita estar equipado con tecnologías como el procesamiento digital de señales (DSP) y la corrección de errores hacia adelante (FEC), y el consumo de energía es relativamente alto.
- Más sensible a la distorsión no lineal: Cualquier pequeño defecto en el canal físico (como por ejemplo en los cables de fibra óptica) puede causar daños mayores a las señales PAM4.
Aplicación PAM4
PAM4 se ha utilizado ampliamente en diversos campos de transmisión de datos de alta velocidad:
- Interconexión de centros de datos (DCI): El estándar principal para 400G, 800G y 1.6T módulos ópticos.
- Red de operadores móviles 5G: transmisión de red móvil de alta velocidad.
- Cable/placa base de cobre de alta velocidadPor ejemplo, el estándar de bus interno de la computadora PCIe 6.0/7.0, que admite velocidades de comunicación más altas de la placa base, también ha cambiado a PAM4.
- Interconexión entre chips: Un canal de alta velocidad de muy corta distancia utilizado para conectar procesadores, controladores de memoria y otros chips.
¿Qué transceptores PAM4 puede proporcionar Yingda?
800G SR8 / DR8 / FR4 / LR4
- Distancia de transmisión: 50-10 km
- La red central de IA viene de serie con capacidad para ejecutar 100G PAM4 o incluso 200G PAM4 en un solo canal, alcanzando una velocidad de 800G mediante el apilamiento paralelo de 4 u 8 canales.
800G SR8 / DR8 / FR4 / LR4
- Distancia de transmisión: 70 m-2 km
- La infraestructura principal de los centros de datos convencionales suele adoptar la arquitectura de 8 x 50G PAM4 o 4 x 100G PAM4, alcanzando una velocidad de 400G a través de 4 canales.
Cable AOC de 200G / 400G / 800G
- Distancia de transmisión: 1 m-100 m
- Generalmente utilizado para la interconexión a corta distancia de racks individuales o racks adyacentes dentro de la sala de computadoras, se adopta el encapsulado QSFP56 o QSFP-DD, y la transmisión de conversión O/E de alta velocidad se lleva a cabo directamente a través de múltiples señales PAM4 dentro del cable.
Serie Lambda 100G FR1/LR1/DR1
- Distancia de transmisión: 500 m-10 km
- Para hacer frente al enorme volumen de tráfico, las redes 5G han introducido la tecnología PAM4 de onda única de 100G en la transmisión intermedia y en algunas transmisiones frontales y posteriores, lo que reduce considerablemente el número de láseres internos y disminuye el consumo de energía y los costes.
✅ La elección del modo de modulación de señal PAM4 para módulos ópticos también exige altos requisitos para las fibras ópticas compatibles:
- Distancia corta: En el interior de los centros de datos, se suelen utilizar fibras multimodo OM4/OM5, que no pueden ser transmitidas por fibras OM1/OM2.
- Para distancias medias a largas: En aplicaciones como estaciones base o salas de máquinas cruzadas, se utiliza fibra óptica OS2 estándar, basándose principalmente en el chip DSP dentro del transceptor PAM4 para la corrección de errores (FEC) y así garantizar la estabilidad de las señales PAM4 de alta velocidad.
Conclusión
PAM4 (Modulación de Amplitud de Pulso de 4 Niveles) es una técnica de codificación de señales de alta velocidad que utiliza cuatro niveles de voltaje para representar datos de 2 bits.
- Valor central: Duplica la velocidad de datos sin aumentar el ancho de banda de la señal.
- Escenario de aplicacións: módulos ópticos de 400G/800G, PCIe 6.0 y todas las demás interfaces de interconexión que requieren velocidades extremadamente altas.
- Costo principalLos requisitos de calidad de la señal son extremadamente altos, lo que exige circuitos y procesadores de señal digital (DSP) más complejos para la corrección de errores.
Se puede afirmar que PAM4 es una tecnología clave que impulsa la evolución de las velocidades actuales de comunicación de datos, desde 50G hasta más de 200G.
