Brug de rigtige kabelsamlinger til at sikre signalintegritet i højhastighedsdatakommunikation

Elektroniske systemarkitekturer har brug for hurtigere datahastigheder med modulationsordninger på højere niveau i mere kompakte formfaktorer. Dette komplicerer printkortlayoutet, da designerne arbejder på at minimere tab i transmissionslinjerne og reducere modtageligheden over for støj, refleksioner og krydstale for at bevare signalintegriteten og opfylde kravene til maksimal bitfejlrate (BER). Elektriske eller optiske flersporede signaler mellem IC'er eller kort-til-kort kræver også minimeret signalforskydning, især i differentielle signalpar.

En måde at imødekomme disse behov på, som gør det muligt at bruge standard kortunderlag for at undgå højere omkostninger, er at bruge højhastighedskabler i stedet for udelukkende at stole på printkortspor. Disse enheder bruger enkeltleder og differentielle konfigurationer, avancerede materialer og teknikker, der giver fremragende signalintegritet og understøtter flersporede signalveje med høj tæthed i kobber eller optisk fiber. Nogle implementeringer har driftshastigheder på op til 64 gigabit pr. sekund (Gbps).

Denne artikel diskuterer, hvad der driver behovet for højere hastighed, og hvordan det håndteres. Derefter introducerer den højhastighedskabelsamlinger fra Samtec og beskriver deres egenskaber og anvendelse.

Behovet for hastighed

Verden hungrer efter hurtigere kommunikation. Applikationer som 5G- og 6G-mobilkommunikation, kunstig intelligens (AI), kvantecomputere og 'Big Data' driver nye systemarkitekturer og kræver højere båndbredder ved hurtigere transmissionshastigheder, samtidig med at enhedens og systemets størrelse mindskes. Disse nye teknologier kræver sammenkoblinger, der kan give den højeste signalintegritet og opretholde et højt signal-støj-forhold (SNR) i tilfælde af støj, krydstale, refleksioner, elektromagnetisk interferens og andre tab og kilder til interferens.

Højere hastigheder har nødvendiggjort ændringer i forbindelsesteknologien. For det første er enkeltleder signaltransmission, hvor data transporteres af en enkelt ledning med reference til en returvej (ofte kaldet "jord"), ved at blive erstattet af differentielle signalforbindelser, hvor to ledninger transporterer datasignaler 180˚ ude af fase. Differentiel signalering forbedrer SNR ved at undertrykke støj, der er fælles for de to ledere (common mode noise). For det andet bevæger datakodningen sig fra en enkelt bit pr. clock-cyklus, NRZ-kodning (non-return to zero) til flere bits pr. clock-cyklus, såsom pulse amplitude modulation 4 niveau (PAM4), som koder fire forskellige niveauer eller to bits pr. clock-cyklus (figur 1).

Figur 1: Øjendiagrammet for NRZ-data (højre) har to mulige tilstande, 1 eller 0, pr. clock-cyklus; PAM4 (venstre) har fire mulige tilstande, 00, 01, 10 og 11, pr. clock-cyklus. (Billedkilde: Art Pini)

PAM4 pakker to bit data ind i hver clockcyklus ved hjælp af fire niveauer kodet som 00, 01, 10 eller 11. Dette fordobler datahastigheden for en fast clockfrekvens, men reducerer SNR på grund af de mindre amplitudevariationer mellem datatilstande. PAM4-signalering kræver derfor et højere niveau af signalintegritet.

Karakterisering af transmissionslinjens ydeevne

Uanset om det er trykte kredsløb eller kabler, karakteriseres transmissionslinjens ydeevne normalt i frekvensdomænet af spredningsparametre (s-parametre). S-parametre beskriver en enheds egenskaber baseret på den elektriske adfærd, der observeres ved indgangene og udgangene, uden at kende de specifikke komponenter inde i enheden. Adskillige FoM’er (FOM - Figure of Merit), baseret på målte s-parametre, bruges til at beskrive enheder med to porte, som f.eks. kabler. De mest anvendte FoM'er er:

• Indsætningstab: Den dæmpning, der opleves af et signal, der forplanter sig fra indgangen til udgangen af et kabel, udtrykt i decibel (dB) (en ideel transmissionslinje har et indsættelsestab på 0 dB).
• Returtab: Tabet (i dB) på grund af signalrefleksioner som følge af et impedansmisforhold ved udgangen.
• Krydstale: Et mål (i dB) for uønskede signaler, der kobles ind i transmissionslinjen på grund af tilstødende ledninger.

Andre FoM'er af interesse er transmissionslinjens udbredelsesforsinkelse og tidsforskydning. Udbredelsesforsinkelse er tidsforsinkelsen for et signal, der udbreder sig gennem en transmissionslinje. Tidsforskydning er tidsforskellen mellem signaler på to eller flere transmissionslinjer.

Muligheder for transmissionslinjer

Det er en udfordring omkostningseffektivt at opfylde FoM-kravene til højfrekvente, flersporede konfigurationer af moderne datakommunikationsstandarder ved hjælp af traditionelle tilgange til design af printkortunderlag. For at imødegå dette har Samtec Inc. udviklet højhastighedskabelsamlinger ved hjælp af deres proprietære Eye Speed mikrocoax- og twinaxkabler, som er kendetegnet ved deres lave tab og fremragende signalintegritet. Disse kabler, der indgår i flersporede kabelsamlinger, giver fremragende ydelse på grund af deres unikke konstruktion (figur 2).

Figur 2: Her ses et detaljeret kig på konstruktionen af Eye Speed mikrocoax (til venstre) og twinax (til højre) kabler, der er kendt for deres lave tab og høje signalintegritet. (Billedkilde: Samtec)

Eye Speed koaksialkabler fås med centerstrengede 26 til 28 AWG-ledere (AWG - American wire gauge). Denne koaksialkabelkonstruktion resulterer i høj fleksibilitet, lav vægt og lille størrelse, hvilket er særligt vigtigt for længere strækninger.

Dielektrikummet er formet som en fast ekstrudering af luftskummet fluorethylenpropylen (FEP) med lav dielektrisk konstant. Skumdannelse skaber luftindtrængning, hvilket resulterer i høj signalhastighed. Denne kabelfamilie tilbyder et udvalg af metalliske skærme, tape eller flettede skærme for forbedret signalintegritet.

Eye Speed twinax-kabelkonstruktionen bruger 28 til 36 AWG forsølvede kobberledere. Større ledningsstørrelser giver lavere indsætningstab, mens mindre ledninger giver større fleksibilitet. Coekstrudering af dielektrikummet forbedrer signalintegriteten og båndbredden, hvilket muliggør hastigheder på 28 til 112 Gbps. Det kompakte design resulterer i tæt kobling mellem signallederne og mindre afstand, hvilket giver en mindre benafstand i kabelsamlingen. Indsætningstabet for 0,25 meter (m) Eye Speed twinax til data klokket ved 14 gigahertz (GHz) (56 Gbps PAM4) ligger i intervallet -1 til -2,2 dB, afhængigt af ledningsdiameteren. Tidsforskydningen mellem lederne i twinax-kablet er mindre end 3,5 picosekunder (ps) pr. meter. Begge kabeltyper understøtter Samtecs Flyover-teknologi.

Hvad er Flyover-teknologi?

Samtecs Flyover-teknologi bruger den høje båndbredde og det lave tab i Eye Speed-kabelsamlinger til at erstatte indbyggede busstrukturer, hvilket reducerer tabet betydeligt (figur 3).

Figur 3: Flyover-teknologien bruger Eye Speed-kabler til at tilbyde betydeligt reducerede tab og 14 GHz og 28 GHz clockfrekvenser sammenlignet med backplane-materialer med lavt tab eller ultra-lavt tab. (Billedkilde: Samtec)

Ved at kræve færre printlag forenkler Flyover-teknologien printlayouts til datahastigheder over 28 Gbps. Det gør det også muligt at bruge billigere printkortmaterialer.

Samtec kabelsamlinger

Der findes en bred vifte af Eye Speed mikrocoax- og twinax-kabelmonteringsmuligheder. De fås som arrays med høj densitet og har funktioner som integrerede jordplaner, tvekønnede stik, trækaflastning og forskellige tilslutnings- og låsemuligheder.

For eksempel er ARC6-16-06.0-LU-LD-2-1 en slank, stik-til-stik, direkte tilsluttet kabelsamling med 16 signalpar, der er 152,4 millimeter (mm) (6 tommer (in.)) og understøtter 64 Gbps PAM4-signalering (figur 4).

Figur 4: ARC6-16-06.0-LU-LD-2-1 er en kabelsamling med direkte tilslutning med 16 differentielle signalpar, der understøtter 64 Gbps PAM4-signalering. (Billedkilde: Samtec)

Denne samling består af 16 twinax-kabler med ultra-low-forskydning i et to-rækket design med høj tæthed fordelt på 32 kontakter med en benafstand på 0,635 mm. Kontakterne er loddet direkte på twinax-lederne for at sikre optimal signalintegritet. Kablerne er 100 ohm (Ω) differentielle med 34 AWG-ledning og fås i 8- og 24-pars konfigurationer. De har et driftstemperaturområde på -40 °C til +125 °C.

ERCD-020-12-00-TEU-TED-1-B er en kortkant-til-kortkant kabelsamling, der består af to rækker med tyve 50 Ω koaksialkabler med 40 kontaktstik (figur 5). Kabellængden er 305 mm (12 tommer).

Figur 5: ERCD-020-12-00-TEU-TED-1-B kabelsamlingen bruger enkeltleder koaksialkabel med en 34 AWG midterleder. Kontakterne er placeret med en benafstand på 0,80 mm (0,0315 tommer). (Billedkilde: Samtec)

Koaksialledningerne bruger 34 AWG centerledere arrangeret som et båndkabel. Stikkets benafstand er 0,80 mm (0,0315 tommer). Disse kabler er klassificeret til at håndtere 14 Gbps-signaler. Stikkene bruger en squeeze latch-låsemekanisme til at sikre positiv sammenkobling. Som ekstraudstyr fås enheden med 10 til 60 kabler pr. række med en række forskellige låsemekanismer. Alle fungerer over et temperaturområde på -25 °C til +105 °C.

HLCD-20-40-00-TR-TR-2 kabelsamlingen bruger to rækker af ti 50 Ω enkeltleder kabler med en længde på 1,02 m (40 in.). Den har 40 kontakter med en benafstand på 0,5 mm (figur 6).

Figur 6: HLCD-20-40.00-TR-TR-2 kabelsamlingen bruger selvparrende hermafroditstik. (Billedkilde: Samtec)

Hermafroditiske stik har ben og sokler, der kan parres med det samme stik. De bruges i applikationer, hvor kontaktpolarisering ikke er påkrævet, som f.eks. tovejs datapar.

HLCD-20-40.00-TR-TR-2 tilbyder et valg af standard eller udvidet driftstemperaturområde på henholdsvis -25 °C til +105 °C eller -40 °C til +125 °C.

HQDP-020-12-00-TTL-TEU-5-B kabelsamlingen bruger dobbelte rækker af 100 Ω, 30 AWG twinax-kabler. Den er 305 mm langt, har 20 kabler, bruger et stik-til-kortkant stik og er klassificeret til drift ved 14 Gbps (figur 7).

Figur 7: HQDP-020-12-00-TTL-TEU-5-B-enheden har et stik-til-kortkant stik med dobbelte rækker af 100 Ω twinax-kabel. (Billedkilde: Samtec)

Denne familie tilbyder 20, 40 eller 60 kabler og en række overflade- og kantmonterede stik, og har en benafstand på 0,5 mm.

Konklusion

Højere datahastigheder presser fortsat designere til at finde innovative måder at sikre signalintegritet på. Samarbejdet med Samtec giver dem mulighed for at hæve sig over begrænsningerne ved klassiske flersporede printkort-signalbusser og drage fordel af en bred vifte af højtydende, fleksible og omkostningseffektive kabelsamlinger, der opfylder eller overgår specifikationerne for nutidens kommunikationsapplikationer.