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解决背板互连中信号完整性问题的两种方案

编辑:PCB    来源:未知    发布时间:2019-07-23 12:14    浏览量:
随着对高带宽服务需求的快速增长以及满足高速和高性能的新系统的开发的增加,这些互连中的信号完整性已成为基本要求。部署快速通信链路和业务,以及工程师面临的主要挑战之一。
 
本文先容了两种简单的信号完整性解决方案,它们可以有效地解决大多数基本的背板互连设计问题。图1:背板问题 - 随着速率和距离的增加,高速信号迅速恶化。
 
该图显示了背板距离为1英寸到14英寸时的5Gbps数据传输。
 
解决背板互连中信号完整性问题的两种方案高带宽服务的持续部署正在逐步接近现有网络和通信系统基础设施的极限,推动了新系统的发展。背板互连的信号完整性是在升级现有设备或设计新系统以获得更高速链路时需要解决的基本问题,而更集中的高速链路会对背板互连施加压力,以及任何网络或通信系统。密集高速链路的应用会引入噪声,串扰和信号衰减,当在背板或电缆环境中使用较长的链路时,这种情况会更严重。因此,在部署速度通信链路和业务时,这些互连中的信号完整性成为基本要求。
 
 
这个基本设计问题需要在整个开发过程中特别注意。高速和宽带系统的普遍增长已经在网络和通信设备中引起了独特的信号完整性问题,并且良好的信号完整性是提供可靠通信链路的基本要求。这是一个设计问题,需要在整个开发过程中特别注意。
 
 
现在有一种简单的信号完整性方案,可用于解决大多数基本背板互连设计问题。
 
解决背板互连信号完整性问题的两种方案
 
表1:FR4材料上单个数据位的幅度损失典型的背板应用包括背板上最多20英寸(50厘米)的数据路径,以及插入的额外长度为10英寸(25厘米)的卡片背板。
 
 
绝大多数PCBS采用FR4电介质制造,由于成本和可用性,它将保持很长时间。
 
 
这些由PCB打印线损耗,连接器滤波效果,PCB布局环绕连接器和端点组件的频率决定,这些都会降低信号质量,从而影响以低误码率发送和接收数据的能力。场景I:异步EQ技术通过了解不同数据速率下PCB印刷线的典型损耗特性,可以部分理解信号完整性问题。
 
 
一个品质因数是在感兴趣的数据速率下单个数据位的信号幅度损失,如表1所示。
 
 
连接器和布局的不连续性效应增加了上述问题,并且这两个问题倾向于在某些频率下产生幅度响应的减小,经常导致在某些临界频率处的陡峭滚动下降。
 
解决背板互连信号完整性问题的两种方案
 
图2:背板解决方案 - 主动均衡可在低延迟条件下实现降级数据的高质量恢复。图1显示了背板上典型信号劣化约24英寸的最大数据路径长度,24英寸长度,背板本身长度为14英寸。图中所示的波形来自传统的背板,而不是设计用于以高达2.5Gbps的速率运行的数据的背板。如上所示,大多数信号完整性问题可以通过简单的主动平衡方法来解决。
 
 
在一般应用中,有源平衡可以消除高达80%的抖动。有源均衡器可视为无源均衡器(滤波器)和放大器的集成。通过适当的处理,可以获得几乎可以消除有损线路影响的电路。最终电路中的延迟通常非常低,小于1纳秒,这意味着整个系统延迟的影响最小。
 
 
可以调整滤波器和放大器的特性,以使均衡器特性更好地匹配链路特性。在这种异步电路中,片上PLL不会增加抖动,因此不会影响链路的随机抖动预算。
 
 
此外,由于均衡属性不受特定时钟速率的约束,因此设置不需要随数据r而改变吃了,但只是运输路径的一个功能。可编程有源均衡器避免了信号处理的复杂性和自适应均衡器方案的功耗,并且可以设计成在宽范围的抖动条件下产生几乎平坦的响应。在许多情况下,自适应均衡器依赖于一些信号假设特征,例如数据速率或编码,以限制给定电路对某些信号类型的适应性。
 
 
在某些情况下还需要同步采样,这意味着需要参考时钟,时钟和数据恢复电路以及高速采样电路。同时,输出预加重和输入均衡对于均衡器只能安装在通信链路的一端的情况非常有用。虽然这两种方法大致相同,但良好的平衡电路设计可以在最小调整的情况下获得最佳结果。
 
 
此外,信号的高频部分极大地增强了预加重的输出,这增加了串扰噪声。图2显示了相对于上图中相同背板的信号变化,并且有效滤波器(Vitesse VSC7104)已添加到图中链路的接收端。
 
 
注意,在背板的每个点处接收的平衡信号基本上是相同的,这表示有源均衡器的抖动平衡能力。
 
 
可编程有源均衡器为信号衰减提供了简单,低成本,低功耗,低延迟且非常灵活的解决方案,这主要归功于PCB或电缆损耗以及连接器的不连续性。由于其小的形状因子,低成本和低功率特性,有源均衡器IC可以最佳地放置在信号路径上。
 
 
例如,您可以使用一系列此类ICS放置在插入背板的端口卡上的连接器附近,不仅可以改善整体信号,还可以中断信号路径以扩展最大覆盖距离。
场景二:使用时钟数据恢复虽然基于铜线互连系统的信号恶化主要是由于字符间干扰(确定性抖动)的组成,但两种信号的恶化,串扰和随机抖动可能还需要措施。
 
图3:使用基于CDR的EQ技术在从未知光纤源传输后恢复信号。
 
解决背板互连中信号完整性问题的两种方案在隔离度较差的设计中,相邻信号的耦合会增加抖动,这与恢复的信号无关。在许多光伏系统中,例如平行光带,光电转换增加了与信号的数据内容无关的随机噪声。
 
 
消除这些类型的抖动需要使用恢复时钟重新采样信号,就像包含时钟和数据恢复的架构一样。在信号恶化主要由随机效应引起的情况下,消除这种确定性效应不会给链路增加足够的余量,并且需要具有时钟和数据恢复的解决方案。
 
 
一个非常典型的例子是随机抖动分量,它包含PCB打印线和信号路径光学部分的确定性抖动,如图3所示.CDR交叉点的VSC32xx系列等技术包括交叉点切换功能和VSC310x器件的EQ性能,并增加每个通道的CDR容量。通过在芯片上集成串行求解器,CDR和EQ技术,OEMS提供了构建具有最佳系统性能的通信平台所需的全面工具。实际应用结果表明,EQ和CDR技术的结合可以消除背板信道的确定性和随机抖动,最长可达1米,低成本电缆最长可达10米。在155Mbps和4.25Gbps之间的数据速率范围内,VSC32xx器件产生的抖动小于80皮秒。

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