Pulsamplitudenmodulation 5
Abkürzung: PAM5
PAM-5 überträgt mit fünf Pegelstufen zwei Bit je Symbol. Gigabit-Ethernet nutzt es über alle vier Adernpaare gleichzeitig.
PAM-5 ist ein Leitungscode mit fünf Amplitudenstufen. Er wird bei 1000BASE-T eingesetzt, also bei Gigabit-Ethernet über Twisted-Pair-Verkabelung, und ist der Grund dafür, dass dieselben Kategorie-5-Kabel, die zuvor 100 Mbit/s trugen, die zehnfache Datenrate bewältigen.
Die Abkürzung steht für Pulsamplitudenmodulation mit fünf Stufen. Das Signal nimmt die Werte −2, −1, 0, +1 und +2 an.
Warum fünf Stufen
Vier Stufen würden genügen, um zwei Bit je Symbol darzustellen. Die fünfte Stufe trägt keine zusätzlichen Daten, sondern schafft Redundanz.
Diese Redundanz nutzt 1000BASE-T für eine Trellis-Codierung: Nicht jede beliebige Symbolfolge ist zulässig, sondern nur solche, die einem festgelegten Zustandsablauf folgen. Der Empfänger kann daraus rekonstruieren, welche Folge am wahrscheinlichsten gesendet wurde, selbst wenn einzelne Symbole verfälscht ankamen.
Der Gewinn ist erheblich. Fünf eng beieinanderliegende Pegel wären auf einer Kupferstrecke sonst kaum sicher zu unterscheiden — die Trellis-Codierung verschafft den Störabstand, der dafür fehlt.
Vier Paare gleichzeitig
Die zweite Besonderheit von 1000BASE-T ist die Nutzung aller vier Adernpaare.
| 100BASE-TX | 1000BASE-T | |
|---|---|---|
| genutzte Paare | zwei | vier |
| Richtung je Paar | eine | beide gleichzeitig |
| Symbolrate | 125 MBaud | 125 MBaud |
| Bit je Symbol und Paar | — | 2 |
Die Rechnung geht auf: Vier Paare zu je 125 MBaud mit zwei Bit ergeben 1000 Mbit/s. Bemerkenswert ist dabei die Symbolrate — sie ist dieselbe wie bei Fast Ethernet. Die zehnfache Datenrate entsteht nicht durch schnelleres Senden, sondern durch mehr Paare und mehr Stufen je Symbol.
Genau deshalb genügt weiterhin Kategorie-5-Verkabelung. Die Anforderungen an das Kabel steigen zwar, weil nun alle vier Paare beteiligt sind und das Übersprechen zwischen ihnen kritisch wird, aber die benötigte Signalfrequenz bleibt gleich.
Der Fachbegriff für das Verfahren lautet 4D-PAM5: Die vier gleichzeitig gesendeten Symbole werden nicht getrennt, sondern gemeinsam als ein vierdimensionales Symbol behandelt.
Gleichzeitig senden und empfangen
Beide Stationen senden auf allen vier Paaren gleichzeitig. Jede Schnittstelle empfängt damit auf derselben Leitung, auf der sie sendet — und muss das eigene, um Größenordnungen stärkere Sendesignal aus dem Empfangssignal herausrechnen.
Dafür sorgen eine Gabelschaltung und eine Echokompensation. Hinzu kommt eine Kompensation des Nebensprechens zwischen den vier Paaren, das bei paralleler Nutzung nicht mehr vernachlässigbar ist.
Diese Verfahren sind der Grund, warum 1000BASE-T ohne digitale Signalverarbeitung nicht realisierbar wäre — und warum die Schnittstelle deutlich mehr Energie benötigt als eine für Fast Ethernet.
Folgen für die Verkabelung
Da alle vier Paare übertragen, wirken sich Verkabelungsfehler auf zuvor ungenutzten Paaren erstmals aus.
Eine Strecke, auf der die Paare 4+5 oder 7+8 fehlerhaft aufgelegt sind, arbeitet mit 100 Mbit/s einwandfrei und versagt bei Gigabit. Dasselbe gilt für unterbrochene Adern, vertauschte Paare und Split Pairs auf diesen Positionen.
Der Umstieg auf Gigabit-Ethernet legt damit regelmäßig Fehler offen, die eine Verkabelung jahrelang unbemerkt mit sich getragen hat.
Höhere Datenraten
Bei 10 Gbit/s über Twisted Pair wird das Prinzip fortgeführt und verschärft: 10GBASE-T arbeitet mit 16 Pegelstufen, deutlich höherer Symbolrate und aufwendigerer Vorwärtsfehlerkorrektur. Die Anforderungen an die Verkabelung steigen entsprechend — Kategorie 5 reicht dafür nicht mehr aus.