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高速背板設計者面臨信號衰減、符號間干擾(ISI)及串擾等幾項主要挑戰。具有創新信號調整技術的芯片產品(如高速背板接口解決方案)可有效解決這些系統級難題，使系統廠商能為其客戶提供高性能及可升級的系統，并減少開發時間及成本。 路由器、以太網交換機及存儲子系統等基于模塊化機箱的系統中，高速背板要求有高等級的信號完整性及更高的系統吞吐量。面向這些應用的系統供應商為了用一種經濟且及時的方式來設計這些高速背板，正面臨眾多挑戰。他們還必須保護其客戶在原有線卡、機箱及電源上的投資，同時還必須支持更高的性能及提供更新的服務。 今天，一些系統中的背板正采用5Gbps或更高速的串行鏈路技術運行。為設計能以這種速率工作的高可靠系統，要求芯片廠商提供確保在背板中進行無錯誤傳輸的解決方案。本文將闡述基于模塊化機箱系統中的高速背板及其設計挑戰，同時將討論能解決這些挑戰的芯片解決方案。 基于模塊化機箱的系統實例 像核心路由器、企業級交換機及存儲子系統等模塊化機箱系統，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，可提高系統性能及容量。這些系統均為模塊化，可獨立進行擴展。它們還被設計成具有高可用性以確保連續運行。 這些系統由含有冗余開關卡、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箱的系統配置。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吞吐量要求。串行連接通過高速差分信號來傳輸數據。然后此差分信號又通過線卡及連接器路由，穿過背板并經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。 這些模塊化機箱系統中的背板接口器件具有以下一些關鍵要求： 1．提高速度：接口器件應能滿足系統設計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，以實現對現有背板中的解決方案進行升級。通過簡單的開關卡升級，系統廠商可再利用現有機箱及線卡，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； 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：為應付日益增加的網絡流量，這些系統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，來實現原型創建及制造期間的芯片級和系統級測試。 高速背板設計考慮 隨著數據速率超出1Gbps水平，設計人員必須解決其背板系統設計中的新問題。這些背板的信號完整性受趨膚效應、介電損耗、串擾引起的更大噪聲以及符號間干擾(ISI)等因素的影響。 趨膚效應是這樣一種現象，即隨著頻率的增加，大部分電流將集中于外部導體上。由趨膚效應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，進而造成信號發散及抖動容限較差。 因為衰減較少的低頻分量與衰減較多的高頻分量在接收器上相加，信號發散將導致符號間干擾。結果，其眼圖開口變小，因此更難在接收端上恢復，從而導致無法接受的誤碼率。這限制了最大位速率。另一種解釋此現象的方式是，信號“變臟”或發散，致使能量逐位下降，進而產生誤碼。在較低速率上，可對ISI進行校正，因為有足夠的時序余量。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擾。串擾是高密度連接器與背板布局布線導致的一種主要噪聲源。有兩種類型的串擾：近端串擾(NEXT)與遠端串擾(FEXT)。靠近受害接收器的發射器發出的信號干擾接收的信號時將引起NEXT。而當接收信號受到與受害接收器相連的“遠端發射器”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整(例如預加重及均衡等)電路來予以補償或消除。這些電路通過衰減低頻分量及放大高頻分量來補償信號損耗。 創新信號調整技術 背板接口器件的關鍵作用是解決損耗及串擾等信道損害問題，并由此而延長背板的使用壽命。接口發射器擁有幅度控制及預加重等信號調整電路。 同樣，背板接口接收器采用均衡技術來控制損耗。另外，這些器件還要求具有JTAG及BIST等可測試特性，以在制造時能進行系統級測試。美國國家半導體公司的四路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進行詳細介紹。 預加重與去加重：此項技術在信號發送前對其進行預扭曲，以使接收器上的信號質量如同原始發送的質量。當信號在直流電平上保持超過一個比特的時間時，預加重就會抬高高頻分量而降低低頻分量。在設計這些方法的過程中，系統設計人員必須仔細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據運用相對頻率特征來補償信道的損耗特征。有兩種均衡電路：固定式與自適應式。固定式均衡器對補償特征進行手工設置，而自適應式均衡器則采用自適應算法來設置最佳補償特征，這使用戶能將一種器件應用于各種不同的信道。它還能對制造偏差及環境變化給信道特征帶來的變化進行自動補償。 接收均衡功能既可集成到背板接口器件中，也可在獨立器件中執行。在獨立器件中執行接收均衡的優勢是可提供最佳的布線優勢及設計靈活性。 串擾噪聲消除：除預加重及接收均衡技術外，在某些系統中也采用串擾消除技術。這些芯片采用這樣一種噪聲消除機制，即對鄰近信道上的噪聲進行采樣，然后再將其從信號中減掉。 |
