高速背板設(shè)計(jì)考慮和創(chuàng)新解決方案分析

高速背板設(shè)計(jì)者面臨信號衰減、符號間干擾(ISI)及串?dāng)_等幾項(xiàng)主要挑戰(zhàn)。具有創(chuàng)新信號調(diào)整技術(shù)的芯片產(chǎn)品(如高速背板接口解決方案)可有效解決這些系統(tǒng)級難題，使系統(tǒng)廠商能為其客戶提供高性能及可升級的系統(tǒng)，并減少開發(fā)時間及成本。

路由器、以太網(wǎng)交換機(jī)及存儲子系統(tǒng)等基于模塊化機(jī)箱的系統(tǒng)中，高速背板要求有高等級的信號完整性及更高的系統(tǒng)吞吐量。面向這些應(yīng)用的系統(tǒng)供應(yīng)商為了用一種經(jīng)濟(jì)且及時的方式來設(shè)計(jì)這些高速背板，正面臨眾多挑戰(zhàn)。他們還必須保護(hù)其客戶在原有線卡、機(jī)箱及電源上的投資，同時還必須支持更高的性能及提供更新的服務(wù)。

今天，一些系統(tǒng)中的背板正采用5Gbps或更高速的串行鏈路技術(shù)運(yùn)行。為設(shè)計(jì)能以這種速率工作的高可靠系統(tǒng)，要求芯片廠商提供確保在背板中進(jìn)行無錯誤傳輸?shù)慕鉀Q方案。本文將闡述基于模塊化機(jī)箱系統(tǒng)中的高速背板及其設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)，同時將討論能解決這些挑戰(zhàn)的芯片解決方案。

基于模塊化機(jī)箱的系統(tǒng)實(shí)例

像核心路由器、企業(yè)級交換機(jī)及存儲子系統(tǒng)等模塊化機(jī)箱系統(tǒng)，全都擁有高速背板及多個線卡。通過增加更多的線卡以及提高線卡端口密度，可提高系統(tǒng)性能及容量。這些系統(tǒng)均為模塊化，可獨(dú)立進(jìn)行擴(kuò)展。它們還被設(shè)計(jì)成具有高可用性以確保連續(xù)運(yùn)行。

這些系統(tǒng)由含有冗余開關(guān)卡、線卡及電源模塊的插槽組成。它們可配備冗余組件來增加安裝的可靠性及可用性。圖1為一種典型的基于模塊化機(jī)箱的系統(tǒng)配置。背板接口解決方案(亦稱為高速串行連接)提供高速背板間的全雙工通信。串行連接器件的速度取決于系統(tǒng)吞吐量要求。串行連接通過高速差分信號來傳輸數(shù)據(jù)。然后此差分信號又通過線卡及連接器路由，穿過背板并經(jīng)過另一組高密度連接器。其信道特征取決于背板材料、連接器密度、走線寬度/耦合等。在典型的路由器中，根據(jù)線卡插入這些走線中的位置，走線長度可在1英寸至48英寸范圍內(nèi)。

這些模塊化機(jī)箱系統(tǒng)中的背板接口器件具有以下一些關(guān)鍵要求：

1．提高速度：接口器件應(yīng)能滿足系統(tǒng)設(shè)計(jì)者不斷提高的帶寬要求。芯片廠商目前正出售3.125-5Gbps速率并在提供 6.25Gbps解決方案的樣品，以實(shí)現(xiàn)對現(xiàn)有背板中的解決方案進(jìn)行升級。通過簡單的開關(guān)卡升級，系統(tǒng)廠商可再利用現(xiàn)有機(jī)箱及線卡，同時提供一種向更高帶寬線卡的升級途徑，以低成本來為客戶提供更多的服務(wù)；

2．后向兼容性：背板接口器件要求能以原有線卡速度工作，以便與原有線卡兼容；

3． 高密度及低功耗：為應(yīng)付日益增加的網(wǎng)絡(luò)流量，這些系統(tǒng)需要更小的占位面積及更高的性能和密度，且不會額外增加的功耗。因此對功耗更低、速度更快的背板器件的需求始終存在。

4． 可制造性及可測試性：背板接口器件需要整合JTAG及BIST等功能，來實(shí)現(xiàn)原型創(chuàng)建及制造期間的芯片級和系統(tǒng)級測試。

高速背板設(shè)計(jì)考慮

隨著數(shù)據(jù)速率超出1Gbps水平，設(shè)計(jì)人員必須解決其背板系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的新問題。這些背板的信號完整性受趨膚效應(yīng)、介電損耗、串?dāng)_引起的更大噪聲以及符號間干擾(ISI)等因素的影響。

趨膚效應(yīng)是這樣一種現(xiàn)象，即隨著頻率的增加，大部分電流將集中于外部導(dǎo)體上。由趨膚效應(yīng)所引起的損耗與頻率的平方根、走線的寬度和高度成正比。

介電損耗是由板電介質(zhì)熱損耗所引起，且隨頻率線性增加。在較高頻率上，介電損耗便成為一個較嚴(yán)重的問題。這些損耗不僅降低信號的幅度而且還減慢信號的邊緣速度，進(jìn)而造成信號發(fā)散及抖動容限較差。

因?yàn)樗p較少的低頻分量與衰減較多的高頻分量在接收器上相加，信號發(fā)散將導(dǎo)致符號間干擾。結(jié)果，其眼圖開口變小，因此更難在接收端上恢復(fù)，從而導(dǎo)致無法接受的誤碼率。這限制了最大位速率。另一種解釋此現(xiàn)象的方式是，信號“變臟”或發(fā)散，致使能量逐位下降，進(jìn)而產(chǎn)生誤碼。在較低速率上，可對ISI進(jìn)行校正，因?yàn)橛凶銐虻臅r序余量。但在較高速率上，ISI不再只限于信號邊界，而是能影響整個位寬度。

噪聲的主要來源是由高密度的連接器及背板走線引起的串?dāng)_。串?dāng)_是高密度連接器與背板布局布線導(dǎo)致的一種主要噪聲源。有兩種類型的串?dāng)_：近端串?dāng)_(NEXT)與遠(yuǎn)端串?dāng)_(FEXT)?？拷芎邮掌鞯陌l(fā)射器發(fā)出的信號干擾接收的信號時將引起NEXT。而當(dāng)接收信號受到與受害接收器相連的“遠(yuǎn)端發(fā)射器”干擾時則會引起FEXT。所有這些信道損害均可在背板互連器件中用特殊的信號調(diào)整(例如預(yù)加重及均衡等)電路來予以補(bǔ)償或消除。這些電路通過衰減低頻分量及放大高頻分量來補(bǔ)償信號損耗。

創(chuàng)新信號調(diào)整技術(shù)

背板接口器件的關(guān)鍵作用是解決損耗及串?dāng)_等信道損害問題，并由此而延長背板的使用壽命。接口發(fā)射器擁有幅度控制及預(yù)加重等信號調(diào)整電路。

同樣，背板接口接收器采用均衡技術(shù)來控制損耗。另外，這些器件還要求具有JTAG及BIST等可測試特性，以在制造時能進(jìn)行系統(tǒng)級測試。美國國家半導(dǎo)體公司的四路5Gbps SerDes可滿足所有這些要求的。以下對四路5Gbps背板收發(fā)器SCAN50C400對及其它高速背板接口器件所采用的信號完整性技術(shù)進(jìn)行詳細(xì)介紹。

預(yù)加重與去加重：此項(xiàng)技術(shù)在信號發(fā)送前對其進(jìn)行預(yù)扭曲，以使接收器上的信號質(zhì)量如同原始發(fā)送的質(zhì)量。當(dāng)信號在直流電平上保持超過一個比特的時間時，預(yù)加重就會抬高高頻分量而降低低頻分量。在設(shè)計(jì)這些方法的過程中，系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員必須仔細(xì)控制輸出幅度以限制輸出功率。

接收均衡：接收均衡通過對輸入數(shù)據(jù)運(yùn)用相對頻率特征來補(bǔ)償信道的損耗特征。有兩種均衡電路：固定式與自適應(yīng)式。固定式均衡器對補(bǔ)償特征進(jìn)行手工設(shè)置，而自適應(yīng)式均衡器則采用自適應(yīng)算法來設(shè)置最佳補(bǔ)償特征，這使用戶能將一種器件應(yīng)用于各種不同的信道。它還能對制造偏差及環(huán)境變化給信道特征帶來的變化進(jìn)行自動補(bǔ)償。

接收均衡功能既可集成到背板接口器件中，也可在獨(dú)立器件中執(zhí)行。在獨(dú)立器件中執(zhí)行接收均衡的優(yōu)勢是可提供最佳的布線優(yōu)勢及設(shè)計(jì)靈活性。

串?dāng)_噪聲消除：除預(yù)加重及接收均衡技術(shù)外，在某些系統(tǒng)中也采用串?dāng)_消除技術(shù)。這些芯片采用這樣一種噪聲消除機(jī)制，即對鄰近信道上的噪聲進(jìn)行采樣，然后再將其從信號中減掉。