NRZとPAM4：主な違いを理解する

➤ PAM4とNRZの主な違い

モダンネットワーク向けに、PAM4およびNRZ変調方式の違いを詳しく探る。.

機能	NRZ（Non-Return to Zero：ゼロリターンなし）	PAM4（パルス振幅変調4レベル）
レベル数	2（例：Low＝0、High＝1）	4（例：L0＝00、L1＝01、L2＝10、L3＝11）
シンボルあたりのビット数	1	2
データレート効率	低い（データレート＝シンボルレート）	高い（データレート＝2×シンボルレート）
同じデータレートにおけるシンボルレート（ボーレート）	高い（例：56Gbpsに対して56GBaud）	低い（例：56Gbpsの場合28GBaud）
ノイズへの感受性	低い（アイオープニングが大きく、SNRマージンが高い）	高い（アイオープニングが小さく、SNRマージンが低い）
実装の複雑さ	低い	高い（DSPおよび強力なFECが必要）
ビットあたりの典型的な消費電力	低い（成熟した技術）	高い（複雑さによるオーバーヘッド）
主流のデータレート	レーンあたり≤25Gbps（例：10G、25G SFP+）	レーンあたり≥50Gbps（例：100G、200G、400G、800G）
主な応用分野	従来の10G／25G、短距離インターフェース	高速データセンター（100G以上）、HPC、AI／MLクラスター、5Gフロントホール／ミドルホール

データセンターがより高速な通信を必要とするにつれ、ネットワークが急速に変化していることがわかります。 PAM4 vs NRZ この議論は重要です。なぜなら、PAM4は各シンボルで2ビットを送信する一方、NRZは1ビットのみ送信するからです。この変更により、新しいイーサネットでは帯域幅の効率が2倍になり、チャネル帯域幅を追加で使用することなく実現できます。データセンターにおいてPAM4とNRZを比較する意義は、PAM4が4つの振幅レベルを持つのに比べ、NRZは2つのみである点にあります。ネットワークが高速化するにつれ、PAM4変調はデータ送信をより迅速かつ高品質に実現します。.

➤ 主なポイント

• PAM4 各シンボルで2ビットを送信し、4つの電圧レベルを使用します。これにより、NRZと比較してデータ転送速度が2倍になります。一方、NRZは各シンボルで1ビットのみ送信し、2つの電圧レベルのみを使用します。.

• NRZ より強い信号を持ち、ノイズが少なく、消費電力も少ないため、使いやすく、長距離または低速ネットワークに適しています。.

• PAM4は高速・短距離リンクに最適です。400Gイーサネットやデータセンターで使用され、特殊な誤り訂正を必要とし、より多くの電力を消費します。.

• ご使用のネットワークに応じてPAM4かNRZかを選択します。速度、距離、コスト、将来のニーズを考慮してください。.

• ネットワーク内でPAM4とNRZの両方を併用することで、速度と信頼性のバランスを取ることができます。また、将来的なアップグレードにも対応しやすくなります。.

➤ モジュレーションの基礎

NRZとは何ですか？

NRZ 信号を送信する簡単な方法です。「non-return to zero」の略です。 ノン・リターン・トゥ・ゼロ. 。この方式では、2つの電圧を用いて2進データを表現します。「1」は高電圧、「0」は低電圧です。信号はビット間でゼロに戻りません。これにより、理解が容易になります。ユニポーラNRZでは、「1」は正の電圧、「0」はゼロボルトです。バイポーラNRZでは、信号が正の電圧と負の電圧の間で切り替わります。.

• 2 レベル： 電圧（電気的）または光強度（光学的）の2つの明確なレベルを使用します。.

  • 高レベルは通常、論理「1」を表します。.

  • 低レベルは論理「0」を表します。.

• 単純な動作： 各シンボル期間には「1」または「0」のいずれかが送信されます。同一の値を持つビット間では、信号は中立の「ゼロ」状態に戻りません（したがって「Non-Return to Zero」）。.

• 利点： シンプルさにより、NRZは堅牢性が高く、消費電力が少なく、信号処理が比較的簡単です。低データレートでは優れた信号整合性を提供します。.

• 制限事項： しかし、その効率には限界があります。データレートを2倍にするには、シンボルレート（ボーレート）を2倍にする必要があります。ボーレートを2倍にすると、チャネル損失、ノイズ、クロストークによる信号劣化が大幅に増加し、主流アプリケーションでは約25–28ギガボーレート／レーンを超えると実用的ではなくなります。.

PAM4とは何ですか？

PAM4 より多くのデータを一度に送信する方法です。「pulse amplitude modulation 4-level」の略です。 パルス振幅変調4レベル（PAM4）. 。PAM4では、4つの電圧レベルを用いて各シンボルに2ビットを表現します。これにより、同じ時間内にNRZの2倍のデータを送信できます。PAM4は、帯域幅の利用効率を高めるパルス振幅変調の一種です。PAM4の各シンボルは「00」「01」「10」「11」のいずれかの2ビットペアを表します。これにより、追加のチャネル帯域幅を必要とせずに、より多くのデータを送信できます。.

• 4 レベル： PAM4は、 四 の明確な電圧または光強度レベルを使用します。.

• シンボルあたり2ビット： 各シンボル期間には、 two ビットの情報が含まれます：

  • レベル0：「00」’

  • レベル1：「01」’

  • レベル2：「10」’

  • レベル3：「11」’

• 効率の2倍化： シンボルあたり2ビットを送信することで、PAM4はNRZの2倍のデータレートを達成します。 同じボーレートで. 28 ギガボーディ PAM4 信号は、1 レーンあたり秒間 56 ギガビット（Gbps）を伝送しますが、NRZ ではそのボーレートにおいては 28 Gbps のみしか伝送できません。.

• 課題： この効率には代償があります：

  • 信号対雑音比（SNR）の低下： PAM4の4つのレベルは、NRZの2つのレベルよりも互いに近接しています。これにより、信号はノイズ、歪み、干渉に対してはるかに敏感になります。ノイズマージンが小さくなると、レベルが反転してエラーを引き起こす可能性があります。.

  • 複雑さの増加： PAM4では、はるかに高度なトランシーバ設計が必要であり、強力な 前方誤り訂正（FEC）, 、高度な DSP（デジタル信号処理）, 、およびドライバとレシーバにおける精密なリニアリティを含む必要があります。これは一般に、成熟したNRZ設計と比較して、ビットあたりの消費電力が高くなることを意味します。.

注：PAM4はより多くの電圧レベルを持つため、それらの間隔が狭くなります。このため、PAM4信号はNRZ信号よりもノイズによって乱されやすくなります。.

変調が重要な理由

変調方式 デジタルデータをワイヤまたはファイバ上で送信するには、変調が必要です。変調は信号を変化させ、長距離伝送時にトラブルを減らします。高速データでは、マッハ・ツェンダー変調器などの外部変調ツールを用いることで、信号の強度を維持できます。パルス振幅変調（PAM）やその他の信号変調手法により、速度、効率、信頼性の最適なバランスを選択できます。.

➤ アイ・ダイアグラムと信号完全性

NRZアイ・ダイアグラム

NRZアイ・ダイアグラムを NRZアイ・ダイアグラム, 見ると、信号の動作がわかります。0と1に対応する2つの主要な電圧レベルがあり、これによりダイアグラム上に大きく開いた「アイ」形状が形成されます。開いたアイは、信号が強く、ノイズによって容易に乱されないことを意味します。.

• 2 つの明確な電圧レベルが確認できるため、0 と 1 を容易に区別できます。.

• 広いアイ開口部は、信号が強く、ほとんど変化しないことを示します。.

• レベル間の滑らかな遷移により、タイミングを正確に追跡でき、誤りが少なくなります。.

• アイの高い部分は、信号が耐えられるノイズの量を示します。.

• アイの広い部分は、タイミングジッタやシンボル間干渉（ISI）の有無を示します。.

• より大きなアイは、誤りが少なく、タイミングも容易であることを意味します。.

• アイが小さくなると、ノイズやその他の問題により信号品質が劣化していることを示します。.

NRZアイダイアグラムはシンプルで、PAM4ほど複雑ではありません。これにより、データの安全性を確保したい場合に、NRZはより強力で使いやすくなります。.

PAM4アイダイアグラム

この PAM4アイダイアグラム NRZのものとは異なります。2つのレベルではなく、4つの異なるレベルが見られます。各レベルは異なる2ビットのペアを表します。レベル間の間隔が狭いため、アイオープニングは小さく、重ねて配置されます。このため、PAM4信号はノイズによって乱されやすくなります。.

PAM4の小さなアイオープニングから、ノイズ耐性が低いことがわかります。また、アイが大きくないため、タイミングの管理も難しくなります。過度なノイズがあると、重ねられたアイが混ざり合い、誤りが増加する可能性があります。PAM4信号を明瞭に保つためには、エラーを修正する特別なツールが必要です。.

両者を比較すると、NRZはよりクリーンで大きなアイダイアグラムを提供します。一方、PAM4はより多くのデータを送信できますが、信号の監視と誤りを低減するための追加支援が必要です。.

➤ 各技術の優れた応用分野

• NRZ： 依然として、単純さ、電力効率、コスト効率が最重要視される、レーンあたり≤25Gbpsのデータレートにおいて支配的です。たとえば、10ギガビットイーサネット（10GbE）、サーバ接続における25ギガビットイーサネット（25GbE）、および旧式システムなどです。多くの 光トランシーバー タイプ、例えば SFP+ （10G/25G）および QSFP28 （4×25G＝100G）がNRZを採用しています。.

• PAM4： レーンあたり50Gbps以上を必要とする高密度・高帯域幅アプリケーションにおいて、圧倒的な優位性を誇る技術です。その主な応用例は以下の通りです：

  • 100 ギガビット・イーサネット（100GbE – 50G PAM4 を 2 レーン使用）

  • 200 ギガビット・イーサネット（200GbE – 50G PAM4 を 4 レーン使用）

  • 400 ギガビット・イーサネット（400GbE – 50G PAM4 を 8 レーン使用、または 100G PAM4 を 4 レーン使用）

  • 800 ギガビット・イーサネット（800GbE – 100G PAM4 を 8 レーン使用）

  • AI／MLクラスタおよび高性能コンピューティング（HPC）インターコネクト。.

➤ PAM4とNRZの選択

PAM4とNRZのどちらを選ぶかを検討する際には、いくつかの重要な点を考慮する必要があります。それぞれが異なる用途に適しており、速度、価格、ネットワークの将来的な拡張性といった要件に合致するものを選ぶべきです。.

検討すべき主なポイントは以下のとおりです：

• 速度要件：ネットワークの速度が400G以上など非常に高速である必要がある場合、PAM4は同じ空間で2倍のデータを送信できます。NRZは、それほど高速さを必要としない低速ネットワークに適しています。.

• 信号品質：NRZは2つの電圧レベルを持つため、ノイズに対してより強く、誤りが少なく、信号が明瞭です。一方、PAM4は4つのレベルを持つため、ノイズによる信号劣化が起こりやすく、エラー訂正には特別なツールが必要です。.

• ハードウェアおよびコスト：NRZ部品はシンプルでコストが低く抑えられます。PAM4はより多くの部品と特殊なチップを必要とするため、コストが高くなります。コスト削減と簡易性を重視するなら、NRZが賢い選択です。.

• 電力消費：NRZは追加の処理を必要としないため、消費電力が少ないです。PAM4は信号を明瞭に保つためにより多くの電力を消費します。.

• 距離：NRZは長距離伝送に適しています。PAM4はデータセンター内のような短距離リンクに最適です。.

• 将来的な拡張性：将来的にネットワークをさらに高速化したい場合、PAM4はより高い速度と新しい規格に対応できます。.

これらの違いは、以下の表で確認できます：

要素	NRZの特徴	PAM4の特徴
磁気部品	クロックサイクルあたり1ビット	クロックサイクルあたり2ビット（帯域幅が2倍）
信号対ノイズ比（SNR）	高い（ノイズに強い）	低い（ノイズに弱い）
ビットエラー率（BER）	低い	高い（エラー訂正が必要）
ハードウェアの複雑さ	シンプルでコスト効率が高い	複雑でコストが高い
消費電力	低い	高い
伝送距離	長い	短い
拡張性	現在のニーズに適しています	将来的なアップグレードに対応可能です

💡 ヒント: 低速または長距離伝送でシンプルかつ安価なソリューションを求める場合はNRZを選択してください。最高の速度と将来のネットワーク拡張を求める場合はPAM4を選択してください。.

➤ LINK-PP光トランシーバー：NRZおよびPAM4による高性能実現

適切な 光トランシーバー はネットワーク性能にとって極めて重要です。. LINK-PP は、NRZおよび先進的なPAM4変調の両方をサポートする包括的なポートフォリオを提供しています：

• NRZ用途向け： 信頼性が高くコスト効率に優れた 光トランシーバー ソリューションとして、当社の LINK-PP SFP-25G-SR LS-MM8525-S1C または LINK-PP QSFP28-100G-SR4 LQ-M85100-SR4C は、10G／25G／100G（4×25G）展開向けに、1レーンあたり25Gの堅牢なNRZ性能を提供します。.

• 高速PAM4用途向け： 当社の最先端PAM4 光トランシーバー モジュールは、信号完全性の課題を克服するよう設計されています：

  • LINK-PP LQD-CW400-DR4C: 4×100G PAM4 を用いた400G短距離単一モード光ファイバー向けに最適化されています。.

を介して広範なネットワークに接続されます。 LINK-PP 光トランシーバーモジュール 高度なDSPおよび強力なFEC（前方誤り訂正）を採用し、要求されるPAM4環境において信頼性が高く高性能な接続を確保します。これは次世代データセンターおよびAIインフラストラクチャにとって不可欠です。.

➤ 未来はマルチレベルへ

NRZは依然として重要ですが、高速ネットワーキングの将来は明確にPAM4へ、さらにはより複雑な変調方式（例：PAM8やPAM16など）へと向かっています。これは1.6テラビット・イーサネットおよびその先を目指すためのものです。PAM4は、ボーレートを倍増させることなくデータレートを2倍にする能力を持ち、既存の光ファイバーインフラストラクチャを活用するために不可欠です。PAM4の成功した展開は、高品質な部品と高度な設計に依存しており、まさにLINK-PPのような革新企業が得意とする分野です。 光トランシーバー 高速ネットワークの最適化を始めましょうか？.

NRZとPAM4の違いを理解することは、現代の高帯域幅ネットワークを設計・運用する上で基本的な要素です。従来のインフラストラクチャのアップグレードを行う場合でも、最先端のAIクラスターを展開する場合でも、適切な変調方式と適切なパートナーを選択することが極めて重要です。

高速データ伝送において、PAM4がNRZよりも優れている理由は何ですか？ 光トランシーバー PAM4では1シンボルあたり2ビットを送信できるため、データレートが2倍になります。一方、NRZでは1シンボルあたり1ビットのみ送信できます。PAM4は、ネットワークにおける速度向上が必要な場合に最も効果を発揮します。.

よくある質問

PAM4は常にNRZよりも消費電力が大きいですか？

PAM4は通常、より多くの電力を必要とします。エラー訂正および信号処理のために追加の回路を使用するためです。NRZは設計がシンプルであるため、消費電力が少なくなります。.

PAM4とNRZのどちらが設置しやすいですか？

NRZの方が設置が容易です。シンプルなハードウェアを使用し、調整も少なくて済みます。一方、PAM4はノイズやエラーに対応するため、より多くの設定作業と慎重な設計を必要とします。.

同じネットワーク内でPAM4とNRZを併用できますか？

はい、両者を混在して使用できます。古い設備や長距離リンクにはNRZを、新しい高速接続にはPAM4を使用します。これにより、ネットワークを段階的にアップグレードすることが可能です。.

長距離伝送にはPAM4とNRZのどちらが適していますか？

長距離伝送にはNRZの方が適しています。NRZはノイズに強く、信号を明瞭に保つことができます。一方、PAM4は速度向上が求められる短～中距離リンクに適しています。.

長距離伝送には、PAM4とNRZのどちらが優れていますか？

NRZは長距離伝送に適しています。ノイズに強く、信号を明瞭に保つことができます。PAM4は、より高速な伝送が必要な短～中距離リンクに適しています。.