PAM4

GLOSSARY

PAM4（パムフォー）は、4-level Pulse Amplitude Modulation（4値パルス振幅変調）の略で、デジタル通信における変調方式（シグナリング方式）の一つです。

従来の方式よりも効率的にデータを伝送するために開発され、データセンターや高速光通信の分野で広く採用されています。

仕組みと特徴

1. 信号レベル

従来のデジタル通信の主流であった NRZ (Non-Return-to-Zero) 方式が、2つの電圧レベル（High/Low）を使って 1ビットの情報を送るのに対し、PAM4は4つの異なる電圧振幅レベルを使って、1つの信号周期（シンボル）で2ビットの情報を送ります。

符号化方式	電圧レベルの数	1シンボルあたりのビット数	割り当て（例）
NRZ	2レベル	1ビット	0, 1
PAM4	4レベル	2ビット	00, 01, 10, 11

2. データ伝送速度の向上

PAM4の最大のメリットは、信号周波数（ボーレート）を変えずに、データ伝送速度（ビットレート）を実質的に2倍にできる点です。

例えば、信号を切り替える速度（ボーレート）が25ギガボーのとき、

NRZ：25ギガビット/秒 (1ビット/シンボル $\times$ 25ギガボー)
PAM4：50ギガビット/秒 (2ビット/シンボル $\times$ 25ギガボー)

これにより、伝送路の帯域幅の限界に近づいた高速通信（100GbEや400GbEなど）において、ケーブルや光ファイバーを増設することなく大容量化を実現できます。

メリットと課題

	メリット (NRZとの比較)	課題 (NRZとの比較)
帯域幅効率	同じボーレートでデータレートが2倍になるため、伝送路の周波数限界の影響を受けにくい。
ノイズ耐性		4つのレベル間の電圧間隔が狭くなるため、ノイズ（雑音）の影響を非常に受けやすくなる（SNRが約 $9.5\text{dB}$ 低下）。
複雑性		受信側で4つのレベルを正確に識別するための高度な回路設計（イコライゼーション、CDRなど）が必要になる。
信頼性		ノイズ耐性の低さから、エラーを訂正するためにFEC（前方誤り訂正）が必須となる。