5-PAM

PAM-5 ist das bei Gigabit Ethernet nach 1000BASE-T und bei Fast Ethernet nach 100BASE-T2 auf Kupferkabeln eingesetzte Modulationsverfahren. Sie stellt eine Pulsamplitudenmodulation mit fünf Amplitudenstufen dar. Pro Übertragungsschritt wird auf einer Übertragungsleitung einer der fünf möglichen Zustände übertragen.

Ein Zustand, auch als Symbol bezeichnet, trägt bei PAM-5 jeweils den Informationsgehalt von ld(5)  ≈2,32 Bits. Der Informationsgehalt muss keine ganzzahlige Bitmenge umfassen. Bei Ethernet beträgt der Informationsgehalt an Nutzdaten 2 Bit pro Symbol und Adernpaar, die Differenz wird zur Sicherung gegen Übertragungsfehler verwendet.

Anwendungsfall Gigabit Ethernet

Eindimensionale 5-PAM-Modulation auf einem Adernpaar

Bei Gigabit Ethernet 1000BASE-T nach dem IEEE Standard 802.3 wird auf Cat-5-Kabel eine vierdimensionale 5-PAM eingesetzt, um über die vier Doppeladern mit einer Symbolrate von 125 MSymbole/s eine Nutzbitrate von 1 GBit/s zu erzielen. Dabei werden pro Symbol genau 8 Bit an Nutzdaten übertragen. Diese Modulationstechnik wird im Standard auch als 4D-PAM5 bezeichnet. Bei Fast Ethernet nach 100BASE-T2 wird eine zweidimensionale 5-PAM eingesetzt, um über zwei Doppeladern mit einer Symbolrate von 25 MSymbole/s eine Nutzbitrate von 100 MBit/s zu erzielen. Diese Modultionstechnik wird im Standard auch als PAM-5x5 bezeichnet. [1][2]

Die eindimensionale 5-PAM Modulation kann bei beiden Verfahren pro Schritt 5 verschiedene Symbole aufnehmen und wird auf einem Adernpaar eingesetzt. Da bei Gigabit Ethernet vier Doppeladern parallel eingesetzt werden, ergeben sich vier Dimensionen. Damit stehen bei der vierdimensionalen 5-PAM pro Schritt 625 (= 54) unterschiedliche Symbole zur Verfügung. Da ein Byte zur Darstellung nur 256 verschiedene Symbole benötigt, wird der Rest an Symbolen zu einer Vorwärtsfehlerkorrektur (FEC) verwendet.

Dazu wird bei Gigabit Ethernet zunächst ein Byte in vier Gruppen zu je 2 Bit aufgeteilt. Jede Gruppe zu 2 Bit wird mittels der Trellis-Code-Modulation (TCM) auf 3 Bit erweitert. Das durch den Faltungscode der TCM zusätzlich eingebrachte Bit pro Gruppe ist dabei nicht trivial von den anderen Bits abhängig und stellt die zur Vorwärtsfehlerkorrektur notwendige Fehlerkorrekturinformation dar. Bei Fast Ethernet nach 100BASE-T2 wird ein ähnliches Verfahren eingesetzt, nur dass dabei zwei Gruppen zu je 2 Bit gebildet werden und die eingesetzte Trellis-Code-Modulation unterschiedliche Parameter aufweist. [3]

Eine wesentliche Eigenschaft der TCM ist nicht nur eine Redundanzsteigerung zufolge des Faltungscodierung, sondern sie legt auch die Zuordnung auf die einzelnen Sendesymbole, in diesem Fall bestimmten Spannungsniveaus auf der Leitung, fest. Dabei werden bei Gigabit Ethernet nach 1000BASE-T die 3 Bit einer Gruppe den fünf verschiedenen Symbolen (= Spannungspegeln) eines Adernpaars zugeordnet. Eine wesentliche Eigenschaft der TCM ist, dass diese Zuordnung nicht statisch erfolgt, sondern von den vorherigen Zuständen, von den bereits übertragenen Daten, abhängt. Es lässt sich damit für einen Schritt der Übertragung keine spezifische Zuordnungstabelle zwischen Nutzdatenbits und Sendesymbol angeben. Eine nur zur Verdeutlichung rein beispielhafte Zuordnung zu einem bestimmten Zeitpunkt kann bei Gigabit Ethernet bei einem Adernpaar folgende Zuordnung aufweisen:

3 Bit Kombination einer Gruppe Beispielhafte elektrische Spannung pro Doppelader
000 0 V
001 0,5 V
010 1 V
011 −0,5 V
100 0 V
101 0,5 V
110 −1 V
111 −0,5 V

Während die Nutzdatenbitrate bei Gigabit Ethernet 1 GBit/s beträgt, beträgt die tatsächlich übertragene Bitrate inklusive der Redundanzinformation zur Fehlervorwärtskorrektur 1,5 GBit/s.

Einzelnachweise

  1. IEEE 802.3-2008 Standard: Carrier sense multiple access with collision detection (CSMA/CD) access method and physical layer specification, ISBN: 973-07381-5797-9
  2. IEEE 802.3-2002 Standard. Ältere, frei verfügbare Ausgabe
  3. Error Control Coding and Ethernet Presentation Slides, IEEE 802.3 EFM Study Group, 2001

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