[TeledyneLeCroy] "Multi-GigaBase-T1 - NRZ vs PAM4" 포스팅 업데이트

  • 2022-07-14
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[TeledyneLeCroy] "Multi-GigaBase-T1 - NRZ vs PAM4" 포스팅 업데이트
 
NRZ에 비해 동일한 단위시간에 두 배의 데이터를 전송할 수 있는 장점과 채널의 대역폭 특성을 유지하면서 빠르게 많은 데이터를 전송할 수 있다는 장점으로, PCIe Gen6, Automotive Ethernet MGBase-T1와 같은 인터페이스에서는 PAM4 시그널링을 채택하였습니다. 이번 포스팅에서는 자동차 이더넷에서 PAM4 시그널링을 채택한 Muti-Giga Base T1 컴플라이언스 테스트에 추가된 항목과 텔레다인르크로이의 QPHY-MGBASE-T1 자동 측정 툴을 소개합니다.
 
NRZ 시그널링
대표적으로 데이터 전송에 사용하는 방식은 NRZ 시그널링 방식입니다. NRZ 신호에서는 하나의 비트가 0 또는 1을 표현할 수 있는 전압 레벨을 가지고 있습니다. 비트당 전송할 수 있는 데이터양을 심볼이라 하며, 심볼은 보드(baud)로 표현합니다. NRZ 방식의 경우 한 비트 당 하나의 심볼이 전송되므로, NRZ 방식으로 1Gbps를 속도로 신호를 전송한 다면, 심볼로는 1Gbuad라고 표현할 수 있으며, 전송 속도와 전송률은 같습니다.
 
 

                                                                                    그림 1. NRZ 신호의 신호와 아이다이어그램
 
그림 1에서는 NRZ 신호의 파형과 아이다이어그램을 보이고 있습니다. NRZ 시그널링에서는 정해진 두 개의 레벨에서 "1" 또는 "0"을 판단하며, 단위 시간(Unit Interval)에서 하나의 데이터가 전송됩니다.
 
PAM4 시그널링
이에 비해 PAM4 (Pulse Amplitude Modulation-4)의 경우에는 , 한 개의 비트에서 4 개의 고유한 전압 레벨을 가지고 있습니다. 각 레벨은 두 개의 비트가 하나의 심볼로 전송됩니다. 심볼 당 두 비트 데이터를 전송하므로, NRZ 시그널링의 전송 속도보다 2 배의 데이터를 전송할 수 있습니다. 같은 양의 정보를 전송한다면 NRZ에 비래 1/2 시간에 데이터 전송이 가능합니다.
 
 

                                                                  그림 2. PAM4 신호와 PAM4 신호의 아이다이어그램
 
그림 2의 아이다이어그램에서 확인할 수 있는 것처럼, PAM4 에서는 4개의 레벨로 구성된 아이다이어그램을 확인할 수 있습니다. 각 레벨은 아래에서 부터 00, 01,11,10 (Gray Coding)의 정보를 표시합니다. 4 개의 레벨을 아래에서 부터 0,1,2,3으로 표시하거나 -1,-1/3, 1/3,1 로 나타내기도 합니다. UI를 구성하는 상승 또는 하강 시간은 0에서 1로 변하는 구간은 느리고, 0에서 3으로 변하는 구간은 상대적으로 빠릅니다.
 
하나의 비트를 나타내는 시간(UI)에서 4개의 레벨을 가지고 있으므로, NRZ 방식에 비해 상대적으로 노이즈에 3배 민감합니다.

아래의 그림 3에서는 NRZ와 PAM4을 동시에 비교했습니다.
 
 
                                                                                     그림 3. NRZ와 PAM4 신호 비교
 
같은 시간에 두 배의 데이터를 전송할 수 있다는 것을 확인할 수 있습니다. NRZ 파형위에 표시한 011011100010 데이터 열이 PAM4 모듈레이션 방식에서 어떻게 전송되었는지 확인할 수 있습니다.
 
PAM4 전송 방식이 노이즈와 신호 반사에 취약할 수 있지만, 4 개의 레벨을 사용하여, 동일한 채널에서 전송 속도를 두 배 빠르게 할 수 있다는 장점이 있습니다.
 

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