1.    시작

최근, PAM 시그널 전송 기술은 엔터프라이즈 시장을 중심으로 널리 보급되고 있지만 민생용 기기나
차재 기기에도 보급되고 있습니다. 이번에, PAM채용이 증가하고 있는 그 배경이나 정의에 대해 소개하겠습니다. 또, PAM과 NRZ 방식의 관계성이나 장단점에 대해서도 기술합니다.

2.  NRZ/PAM2와 PAM4(Pulse-Amplitude Modulation 4-levels)의 차이.

NRZ(Non-Return-to-Zero)는 Fig.1-1 에 나타내는 바와 같이 1비트:"0", "1"을 2단계의 전압으로 
표현하는 일반적인 시그널 기술입니다. 

또, NRZ는 신호 방식으로는 PAM2(Pulse-Amplitude Modulation
2-levels)와 동의어이기 때문에 본 문서에서는 NRZ를 NRZ/PAM2로 표기합니다.
반면에, PAM4는 Fig.1-2 와 같이 4단계 전압레벨(2비트:"00", "01", "10", "11")을 1클럭 주기 간격 UI(Unit Interval)로 부호화해서 3계층의 아이 패턴을 생성하는 시그널 기술입니다. 

3.    PAM4의 장점

PAM4는 Fig.1-1에 나타난 바와 같이 NRZ/PAM2 신호와 동일한 전기적 특성(UI, 나이키스트 주파수, 심볼 레이트)을 유지하면서 데이터 레이트가 2배가 되는 우위성을 실현할 수 있습니다. 예를 들면, NRZ/PAM2의 신호 방식으로 데이터 레이트를 2배로 했을 경우, Fig.1-3 및 Table 1 에 나타내듯이 주요한 전기 특성(UI, 나이키스트 주파수, 심볼 레이트)은 원래의 신호보다도 불리해 집니다.

Table 1 1은 ①NRZ/PAM2의 데이터 레이트를 2배로 했을 때의 ②PAM4와 ③NRZ/PAM2의 비교로 장점, 단점을 나타냅니다.

4.    PAM4 의 단점

   참고예로, 최대전압 레벨 400mVpp를 유지한 채, NRZ/PAM2에서 PAM4로 신호를 전환하면, PAM4신호의
   4개의 전압레벨은, 계산상 400mV, 266mV, 133mV, 0mV로 표시됩니다. 따라서, Fig.1-2 에 나타낸 바와 같이, 
   각 3개층의 아이패턴은  NRZ/PAM2신호와 비교하여 1/3EH(Eye Height)가 되며, NRZ보다 PAM4는 노이즈
   영향을 받기 쉽다고 말할 수 있습니다.

5.    PAMx(2,3,4,6,7,16) 의 비교에 관해

   PAM (Pulse-Amplitude Modulation)에는, 다양한 수치명칭으로의 변형이 존재합니다. 
   Table 2 는, 대표적인 수치명칭인 PAMx (2,3,4,6,8,16)의 주요항목을 비교한 것입니다.
   주요항목의 계산식은 다음과 같습니다. 

 Symbol Rate (Gsym/s)    = 1 / UI
 Data Rate (Gbps)    = Symbol Rate x Bits per Symbol (주1참조)
 Nyquist Frequency (GHz)    = Symbol Rate / 2
 Note.1 : Bits per Symbol은, Table 2에 나타내듯이 PAM의 수치명칭에 존재합니다. 

6.    왜, PAMx의 채용사례가 늘고 있는 것인가요?

 NRZ/PAM2의 데이터 레이트 상한은, Fig. 2 에 나타내듯이 100Gbps 정도로 추측되고 있습니다. 만약,
 100Gbps를 초과하는 데이터 레이트로 NRZ/PAM2를 사용한다면 채산성 확보가 어려워질 것으로 생각됩니다.
 또한, 일반적인 전송 매체 (AOC, ACC, DAC 등) (Note.2)에는 모두 같은 한계가 있습니다.
그 결과, PAMx는 50Gsym/s/lane을 넘는 데이터 레이트를 실현하기 위한 하나의 효과적 해결 수단이 됩니다.

Note.2 : AOC（Active Optical Cable）、ACC（Active Copper Cable）、DAC（Direct Attach Cable）

Fig. 2 는 대표적인 시그널 테크놀로지의 로드맵입니다. 비스듬한 화살표는 각각 다른 PAMx를 나타내고
그 관련 규격은 개별 마커로 나타내고 있습니다. ①Technology Limit이라고 기재된 큰 빨간 화살표는
NRZ/PAM2데이터 레이트의 한계를 나타냅니다. 또한,② Technology Trend라고 기재된 큰 파란색 
화살표는 PAMx의 배리에이션 또는 기타 신호 변조 기술을 보여주며 그 새로운 신호 기술의 방향성을
보여줍니다.

대표적 시그널 테크놀로지의 로드맵

7.    정리

1) NRZ/PAM2의 시그널 테크놀로지의 한계는 1레인당 100Gbps(100Gsym/s) 정도까지로 추측된다.
2) PAMx(3, 4, 8, 16)는 채산성 확보를 위한 NRZ/PAM2의 대체 신호 기술이다
3) 1레인당 200Gbps를 초과하는 데이터 레이트의 경우 PAMx의 새로운 변형이나 다른 변조 기술을 사용할 
필요가 있다

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