כמהנדס מכני (ME), מעולם לא עלה על דעתי שאצטרך לדעת יותר מאשר חוק V=IR (חוק אוהם), ואם להיות כן עוד יותר, אני יכול לומר שהייתה לי כוונה לשכוח אותו לחלוטין, בסיום השיעור בהנדסת חשמל (EE), בתוכנית לימודי התואר השני שלי. למעשה, הפרופסור שלי, דר’ כאמל, אפילו הכריזה “להלן המשוואה הזו שלא אכפת לך ממנה, והיא תישכח ממך במהירה…” כמה שהיא שגתה במקרה שלי.
כפי שהגורל, או אולי המעסיק שלי, היו קובעים, חוק אוהם אמור להיות דאגתי האחרונה, כאשר המדובר בהבנה של זרימת אלקטרונים דרך נחושת.
בשיעורי הנדסת חשמל למהנדסי מכניקה, היינו לא פעם משווים את חוק אוהם לחוק השני של ניוטון, כדי שיעזור לנו להבהיר את עקרונותיו. עובדה זו גרמה לי לתהות האם יש שווה ערך מכני להבנת קידוד NRZ והעברת אותות PAM4 כמו השוואת החוק V=IR לחוק F=MA.
קידוד NRZ לעומת PAM4
לכן, בטרם נצא למסע זה, עלינו לזכור ששידור נתונים הוא שם המשחק. צריכת נתונים גוברת, חוק מור (Moore’s Law) נתון במאבק, וכולם דורשים את הנתונים שלהם כאן ועכשיו.
המטרה של NRZ ושל PAM4 היא לשדר כמויות נתונים דרך חיבורים קואקסיאליים, סיב אופטיים או מסלול במעגל מודפס, אבל בכל דרך משתמשים בשיטה שונה שיש לה יתרונות וחסרונות.
איור 1: דיאגרמת “עין” של NRZ לעומת דיאגרמת “עיניים” PAM
מהו קידוד NRZ
קידוד ללא חזרה לאפס (NRZ), המכונה גם אפנון משרעת (אמפליטודה) של אותות רמה 2, הוא קוד בינארי שבו משתמשים ברמה גבוהה וברמה נמוכה של אותות, כדי לייצג מידע 1 ו- 0 של אות לוגי ספרתי. קידוד NRZ יכול לשדר רק סיבית אחת של מידע בכל מחזור של אות, כלומר 0 או 1.
איור 2: דיאגרמת “עין” של NRZ
כדי להבין טוב יותר את הרעיון הזה, אנחנו יכולים לבחון דיאגרמת “עין” של NRZ ותרשים קידוד של NRZ. עבור דיאגרמת ה”עין” של NRZ אנחנו יכולים לבחון את איור 2 שבו הקו האופקי העליון מייצג 1 והקו התחתון מייצג 0. עבור גובה “עין” של “A” היית רוצה לראות מפתח רחב ככל שאפשר. המשמעות של רוחב “עין” גדול יותר היא איכות אות טובה יותר.
כמה מבין היתרונות והחסרונות של קידוד NRZ הם:
- לקידוד NRZ יש תדירות נייקוויסט (Nyquist frequency) גבוהה יותר
- הוא מתאים לשידור למרחקים קצרים
- יש לו תפוקה של סיבית אחת ליחידת מרווח (UI)
- יחס האות לרעש (SNR) הוא 0 dB
- מקטין למינימום את השינויים בזרם
מהו PAM4
אפנון משרעת (אמפליטודה) של אותות רמה 4 (PAM4) הוא תבנית אפנון אותות בריבוי רמות המשמשת לשידור אותות. כל רמה של אות יכולה לייצג 2 סיביות של מידע לוגי.
איור 3: דיאגרמת “עין” של PAM4
עבור דיאגרמת “עין” של PAM4, איור 3, אנחנו רואים שלוש “עיניים” שנוצרות על ידי ארבע רמות של מתח (00, 01, 10, 11). גם לגובה העין יש חשיבות, ו- A מכסה את הגובה של כל שלוש “העיניים”. המשמעות של מיפתח גדול יותר של “עין” היא איכות אות טובה יותר.
אם נצלול קצת יותר לעומק, אנחנו יכולים להביט באופן גרפי על NRZ ועל PAM4. מבט זה מוצג באיור 4 כאשר בכל מחזור שעון ב- PAM4 אפשר לשלוח ארבעה מתחים שונים של 0, 1, 2, או 3 אשר תואמים ל- 00, 01, 10 ול- 11 בהתאמה. אפשר לראות שבהעברה של “מילה 1” דרך NRZ לעומת העברה דרך PAM4, האות 101100100100 בהעברה דרך PAM4 שודר במחצית הזמן כשהועבר דרך PAM4.
איור 4: קידוד NRZ לעומת קידוד PAM4
כמה מבין היתרונות והחסרונות של קידוד PAM4 הם:
- משמש בתקשורת Ethernet של 400 ג’יגה סיביות
- יכול להעביר פי שניים אותות לעומת NRZ
- פועל בארבע רמות לעומת שתי רמות בקידוד NRZ
- יש בו תפוקה של 2 סיביות ליחידת מרווח (UI)
- יחס אות לרעש (SNR) גרוע מאשר זה של קידוד NRZ ב- –9.54 dB
- ההחזרות גרועות פי 3
- נדרש ציוד יקר יותר
במה אפשר להשוות את NRZ ואת PAM4 מהבחינה המכנית?
קשה לתאר כל זאת באופן מכני במדויק, אבל אפשר להשוות קידוד NRZ לקידוד PAM4 בעזרת הנושא של צבירת טולראנסים (צבירת אפיצויות – tolerance stacking). למשל, אפשר להשוות את קידוד NRZ למערך של שני לוחות. יש מחבר אחד בכל לוח שחייב להתחבר למחבר השני. התכנון הכולל של המחברים מספק טולראנס בכל כיוון, על מנת להבטיח חיבור מתאים. הדבר דומה לצורת “העין הקלה” שנראית בקידוד NRZ.
בקידוד PAM4 הקושי עולה מדרגה. כבר איננו משתמשים בשני לוחות. אנחנו משתמשים במערך של ארבעה לוחות עם שלושה מחברים לכל לוח. במונחים של צבירת טולראנסים, במחברים רגילים קשה מאוד לסדר אותם אבל הסידור נותן יותר תפוקה של נתונים. הדבר דומה לצורת שלוש העיניים שאפשר לראות בקידוד PAM4.
כיצד Samtec יכולה לעזור?
מערכות של מחברים כגון SamtecNovaRay®, ExaMAX® Backplane ו- AcceleRate® HP Arrays יכולות להעביר 112 ג’יגה סיביות בשנייה ומתאימות ליישום שלך, בין אם המערכת מתוכננת לשימוש עם קידוד NRZ או עם PAM4.
Samtec מציעה גם שירותי ניתוח מלא של אות בערוץ ושל מתח וזרם (PI), בדיקות ואימות. לקבלת מידע נוסף, צור קשר עם הכתובת sig@samtec.com
