Používání správných kabelových sestav k zajištění integrity signálu ve vysokorychlostních datových komunikacích

Modulační schémata vyšší úrovně v kompaktnějších tvarových faktorech vedou k tomu, že architektury elektronických systémů vyžadují vyšší datové rychlosti. Tato situace komplikuje uspořádání desek plošných spojů (PCB), protože konstruktéři usilují o minimalizaci ztrát v přenosových vedeních a snížení náchylnosti k šumu, odrazům a přeslechům, aby byla zachována integrita signálu a splněny požadavky na maximální bitovou chybovost dat (BER). Také elektrické nebo optické signály přenášené pomocí více pruhů mezi integrovanými obvody nebo deskami deskami vyžadují minimální časové zpoždění, zejména v diferenciálních signálových párech.

Jedním ze způsobů řešení těchto potřeb, který umožňuje zachovat nízké náklady díky standardním substrátům desek, je použití vysokorychlostních kabelových sestav namísto spoléhání se pouze na vodivé cesty desek plošných spojů. Tyto sestavy používají konfigurace se společnou zemí a diferenciální konfigurace, pokročilé materiály a techniky poskytující vynikající integritu signálu a podporující signálové cesty s vysokou hustotou s více pruhy v měděných vodičích nebo optických vláknech. Některé implementace nabízejí provozní rychlosti až 64 Gbps.

Tento článek pojednává příčinách vedoucích k potřebě vyšších rychlostí a způsobech řešení této problematiky. Poté představuje vysokorychlostní kabelové sestavy od společnosti Samtec a popisuje jejich možnosti a využití.

Potřeba rychlosti

Svět je dychtivý po rychlejší komunikaci. Aplikace, například mobilní sítě 5G a 6G, umělá inteligence (AI), kvantové výpočty a „Big Data“, jsou motivací pro nové systémové architektury, vyžadují vyšší šířku pásma při vyšších přenosových rychlostech a zároveň zmenšují velikost zařízení a systému. Tyto vyvíjející se technologie vyžadují propojení schopná poskytovat nejvyšší integritu signálu a v přítomnosti šumu, přeslechů, odrazů, elektromagnetického rušení a dalších ztrát a zdrojů rušení udržovat vysoké hodnoty odstupu signál/šum (SNR).

Vyšší rychlosti si vyžádaly změny v technologii připojení. Za prvé, přenos signálu se společnou zemí, kde jsou data přenášena jediným vodičem vztaženým na zpětnou cestu (často označovanou jako „zem“), je nahrazen diferenciálním signálovým vedením, kde datové signály přenášejí dva vodiče s fázovým posunem 180˚. Diferenciální přenos signálu zlepšuje hodnotu SNR potlačením šumu společného pro dva vodiče (soufázový rušivý signál). Za druhé, kódování dat se posouvá z jednoho bitu na hodinový cyklus s kódováním bez návratu k nule (NRZ) na více bitů za hodinový cyklus, například na pulzní amplitudovou modulaci 4 úrovně (PAM4) kódující čtyři různé úrovně nebo dva bity na hodinový cyklus (obrázek 1).

Obrázek 1: diagram oka pro data NRZ (vpravo) má dva možné stavy, 10 nebo 0, na hodinový cyklus; PAM4 (vlevo) má čtyři možné stavy, 00, 01, 10 a 11, na hodinový cyklus. (Zdroj obrázku: Art Pini)

Modulace PAM4 zabalí dva datové bity do každého hodinového cyklu pomocí čtyř úrovní kódovaných jako 00, 01, 10 nebo 11. Tím dojde ke zdvojnásobení rychlosti přenosu dat při pevné taktovací frekvenci, avšak díky menším amplitudovým odchylkám mezi datovými stavy se sníží odstup signál/šum (SNR). Přenos signálu pomocí modulace PAM4 proto vyžaduje vyšší úroveň integrity.

Charakterizace výkonu přenosové linky

Ať se již jedná o vedení na plošných spojích nebo v kabelech, výkon přenosové linky je obvykle charakterizován rozptylovými parametry (s-parametry) ve frekvenční doméně. S-parametry popisují vlastnosti zařízení na základě elektrického chování zjištěného na vstupech a výstupech bez znalosti konkrétních součástí uvnitř zařízení. K popisu zařízení se dvěma porty, například kabelů, se na základě naměřených s-parametrů používá několik hodnot faktoru FoM (figure of merit). Nejpoužívanější faktory FoM jsou následující:

• Vložené ztráty: útlum signálu šířícího se ze vstupu na výstup kabelu, vyjádřený v decibelech (dB) (ideální přenosové vedení má vložené ztráty 0 dB)
• Útlum odrazu: ztráty (v dB) vlivem odrazů signálu v důsledku nepřizpůsobení výstupní impedance
• Přeslechy: míra indukce nežádoucích signálů (v dB) do přenosového vedení vlivem sousedních kabelů

K dalším zajímavým faktorům FoM patří zpoždění šíření a časový posun přenosového vedení. Zpoždění šíření je časové zpoždění signálu šířícího se přenosovým vedením. Časový posun je časový rozdíl mezi signály na dvou nebo více přenosových vedeních.

Možnosti přenosového vedení

Nákladově účinné splnění požadavků na faktor FoM u vysokofrekvenčních konfigurací moderních standardů datové komunikace s více pruhy pomocí tradičních koncepcí konstrukce substrátu obvodových desek je náročné. Jako řešení tohoto problému vyvinula společnost Samtec Inc. vysokorychlostní kabelové sestavy využívající vlastní mikrokoaxiální a twinaxiální kabely Eye Speed, které se vyznačují nízkými ztrátami a vynikající integritou signálu. Tyto kabely, začleněné do kabelových sestav s více pruhy, nabízejí díky své jedinečné konstrukci vynikající výkonnost (obrázek 2).

Obrázek 2: podrobný pohled na konstrukci kabelů Eye Speed micro coax (vlevo) a twinax (vpravo), které se vyznačují nízkými ztrátami a vysokou integritou signálu. (Zdroj obrázku: Samtec)

Koaxiální kabely Eye Speed jsou k dispozici s centrálními pletenými vodiči o průřezu 26 až 28 AWG. Tato konstrukce koaxiálního kabelu vede k vysoké flexibilitě, nízké hmotnosti a malým rozměrů, které jsou důležité zejména pro delší trasy.

Dielektrikum je vytvořeno jako pevná extruze fluorovaného ethylen-propylenu (FEP) se vzduchovou pěnou a nízkou dielektrickou konstantou. Pěněním vznikají vzduchové průchody vedoucí k vysoké rychlosti signálu. Kabely této skupiny nabízejí výběr mezi kovovým, páskovým nebo pleteným stíněním pro dosažení lepší integrity signálu.

Kabel Eye Speed s konstrukcí twinax využívá postříbřené měděné vodiče o průřezu 28 až 36 AWG. Vodiče s vyšším průřezem poskytují nižší vložené ztráty, zatímco vodiče s menším průřezem nabízejí větší flexibilitu. Koextrudování dielektrika zlepšuje integritu signálu a šířku pásma, což umožňuje dosažení přenosových rychlostí 8 až 112 Gbps. Kompaktní konstrukce vede k těsné vazbě a k menším mezerám mezi signálovými vodiči, čímž se snižuje rozteč v kabelové sestavě. Vložené ztráty kabelu Eye Speed s konstrukcí Twinax o délce 0,25 m pro data s taktem 14 GHz (56 Gbps s modulací PAM4) se v závislosti na průměru vodiče pohybují v rozsahu -1 až -2,2 dB. Časový posun mezi vodiči v kabelu s konstrukcí twinax je nižší než 3,5 ps na metr. Oba typy kabelů podporují technologii Flyover společnosti Samtec.

Co je technologie Flyover?

Technologie Flyover společnosti Samtec využívá vysokou šířku pásma a nízké ztráty kabelových sestav Eye Speed, kterými nahrazuje vnitřní sběrnicové struktury, což výrazně snižuje ztráty (obrázek 3).

Obrázek 3: technologie Flyover využívá kabely Eye Speed, které v porovnání s materiály základní desky s nízkými nebo ultra-nízkými ztrátami nabízejí výrazně nižší ztráty a taktovací frekvence 14 GHz a 28 GHz. (Zdroj obrázku: Samtec)

Technologie Flyover vyžaduje méně deskových vrstev, čímž zjednodušuje uspořádání desek při datových rychlostech nad 28 Gb/s. Umožňuje také používání levnějších materiálů desek plošných spojů.

Kabelové sestavy Samtec

Kabely Eye Speed s konstrukcí micro coax a twinax nabízejí širokou škálu montážních možností. Jsou k dispozici jako pole s vysokou hustotou a nabízejí funkce jako integrální zemnící plochy, bezpohlavní konektory, ochranu proti vytržení a různé možnosti připojení a zajištění.

Například model ARC6-16-06.0-LU-LD-2-1 je tenká kabelová sestava pro přímé připojení se zástrčkami na obou koncích a 16 signálovými páry o délce 6 palců (152,4 mm) podporující přenos signálu rychlostí 64 Gb/s PAM4 (obrázek 4).

Obrázek 4: model ARC6-16-06.0-LU-LD-2-1 je kabelová sestava pro přímé připojení s 16 diferenciálními signálovými páry podporující přenos rychlostí 64 Gb/s s modulací PAM4. (Zdroj obrázku: Samtec)

Tato sestava obsahuje 16 twinaxiálních kabelů ve dvouřadém provedení s ultra-nízkým časovým posunem a vysokou hustotou rozdělených do 32 kontaktů s roztečí 0,025 palce (0,635 ´mm). Pro dosažení optimální integrity signálu jsou kontakty přímo připájeny k twinaxiálním vodičům. Kabely, které jsou provedeny jako diferenční vedení s impedancí 100 Ω a vodičem o průřezu 34 AWG, jsou k dispozici v konfiguracích s 8 a 24 páry. Kabely nabízej rozsah provozních teplot -40 °C až +125 °C.

Model ERCD-020-12-00-TEU-TED-1-B je kabelová sestava k propojení okrajů karet obsahující dvě řady dvaceti koaxiálních kabelů 50 Ω se společnou zemí s konektorem se 40 kontakty (obrázek 5). Délka kabelu je 12 palců (305 mm).

Obrázek 5: kabelová sestava ERCD-020-12-00-TEU-TED-1-B používá koaxiální kabel se společnou zemí se středovým vodičem o průřezu 34 AWG. Kontakty jsou rozmístěny s roztečí 0,0315 palce (0,80 mm). (Zdroj obrázku: Samtec)

Koaxiální vedení používá středové vodiče o průřezu 34 AWG uspořádané jako plochý kabel. Konektor má rozteč 0,0315 palce (0,80 mm). Tyto kabely jsou dimenzovány na přenos signálu o rychlosti 14 Gb/s. Konektory používají uzamykací mechanismus se stlačovací západkou pro zajištění správného spojení. Volitelně je sestava k dispozici s 10 až 60 kabely na řadu s různými uzamykacími mechanismy. Všechny kabely pracují v teplotním rozsahu -25 °C až +105 °C.

Kabelová sestava HLCD-20-40-00-TR-TR-2 používá dvě řady deseti kabelů se společnou zemí o impedanci 50 Ω a délce 40 palců (1,02 m). Sestava nabízí čtyřicet kontaktů s roztečí 0,0197 palce (0,5 mm) (obrázek 6).

Obrázek 6: kabelová sestava HLCD-20-40.00-TR-TR-2 používá samospojovací bezpohlavní konektory. (Zdroj obrázku: Samtec)

Bezpohlavní konektory jsou opatřeny kolíky a zásuvkami, které lze spojovat se stejným konektorem. Používají se v aplikacích, kde není vyžadována polarizace kontaktů, například v obousměrných datových párech.

HLCD-20-40.00-TR-TR-2 nabízí výběr ze standardního nebo rozšířeného rozsahu provozních teplot -25 °C až +105 °C nebo -40 °C až +125 °C.

Kabelová sestava HQDP-020-12-00-TTL-TEU-5-B používá dvě řady twinaxiálních kabelů 100 Ω, 30 AWG. Sestava je dlouhá 12 palců (305 mm), obsahuje 20 kabelů, je opatřena konektorem pro zasunutí na okraj karty a dimenzována na provoz při rychlosti 14 Gb/s (obrázek 7).

Obrázek 7: kabelová sestava HQDP-020-12-00-TTL-TEU-5-B je opatřena konektorem pro zasunutí na okraj karty a obsahuje dvě řady twinaxiálních kabelů 100 Ω. (Zdroj obrázku: Samtec)

Tato skupina produktů, která nabízí výběr z 20, 40 nebo 60 kabelů s celou řadou konektorů pro připojení na povrch a na okraj, používá konektory s roztečí 0,020 palce (0,5 mm).

Závěr

Vyšší datové rychlosti i nadále vedou konstruktéry k hledání inovativních způsobů zajištění integrity signálu. Spolupráce se společností Samtec jim umožňuje překonávat omezení klasických vícepruhových signálových sběrnic na deskách plošných spojů a využívat širokou škálu vysoce kvalitních, flexibilních a cenově výhodných kabelových sestav, které splňují nebo překračují specifikace současných komunikačních aplikací.