Native PCIe-Verbindungen
Ein Entwurf für eine PCIe-Automotive-Spezifikation
Fortsetzung des Artikels von Teil 1
Überlegungen zu Verkabelungen
Es reicht nicht aus, dass ein Kabel die geforderte Leistung unter normalen Bedingungen bei Zimmertemperatur erbringt. Vielmehr erfordert die Automotive-Qualifikation verschiedene Alterungsprüfungen, wie etwa einen Langzeit-Alterungstest über 3000 Stunden bei erhöhten Temperaturen, um die Stabilität der vom Kabel gebotenen Performance zu charakterisieren. Es wird erwartet, dass nach Abschluss aller Alterungstests vorgegebene, kritische Hochfrequenz-Grenzwerte weiter eingehalten werden. Verschiedene Kabelparameter wie die Schlaglänge, die Dielektrizitätskonstanten der Kerne sowie die Wahl des Isolationsmaterials müssen ebenfalls berücksichtigt werden, damit sich die Performance-Anforderungen erfüllen lassen.
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Die GG Group bietet eine große Auswahl an Kfz-Kabeln hoher Qualität für Koaxial- und differenzielle Anwendungen mit Übertragungsraten im Gigabit-Bereich. Als Beispiel für ein geeignetens Kfz-Kabel für PCIe 3.0 kann das von der GG Group konstruierte und hergestellte Kabel des Typs GG 2Speed 251 STP dienen. Die Abschirmung besteht aus Aluminium-Kunststoff-Folie, die um die beiden verdrillten Kerne gewickelt ist (Bild 2). Ein als zusätzliche Abschirmung dienendes Kupfergeflecht hilft, die geforderten EMV-Eigenschaften (Schirm- und Kopplungsdämpfung) bei Frequenzen bis zu 4,4 GHz zu erzielen.
Das Kabel GG 2Speed 251 STP ist bis 5 GHz frei von Suck-outs, während bei etwa 5,2 GHz aufgrund der Kabelkonstruktion eine Einkerbung festzustellen ist. Diese Einkerbung wird vorrangig durch die Schlaglänge der weißen und der grünen Ader beeinflusst. Überdies bietet dieser Kabeltyp eine gute Performance anhand der »Proposed-Automotive-PCIe-3.0-Raw-Cable-Limit«-Formel, die in der Gleichung und Bild 3 zu sehen ist.
Darin ist f die Frequenz in Megahertz bis zu einem Wert von 4.400 MHz, und IL steht für Insertion Loss (Einfügedämpfung).
Kabel, die sich für höhere Frequenzen eignen als das GG 2Speed 251, befinden sich in der Entwicklung und werden die Produktfamilie GG 2Speed erweitern. Zum Beispiel erfüllen erste Prototypen des GG 2Speed 256 die erhöhten Frequenzanforderungen von PCIe 4.0 mit einer Bandbreite, die eine lineare Einfügedämpfung bis 10 GHz unterstützt.
Überlegungen zu Steckverbindern und Konfektionierung
Um die Anforderungen an den Kabelweg zu erfüllen, bietet Rosenberger ein aus zwei Highspeed-Steckverbindern bestehendes Duo, nämlich den H-MTD für die differenzielle Signalübertragung und den HFM für Fälle, in denen die Koax-Übertragung bevorzugt wird (Bild 4).
Im Interesse einer optimalen Schirmdämpfung weisen beide Systeme eine 360°-Abschirmung auf, um das hervorragende Schirmungsverhalten des eigentlichen Kabels zu bewahren.
Da die Rückflussdämpfung (Return Loss, RL) großenteils von den Steckverbindern bestimmt wird, ist die Impedanz entlang der Steckverbinder H-MTD und HFM genaustens an die Referenz-Impedanz von 100 bzw. 50 Ω angepasst. In Bild 5 ist die entsprechende, mit Gating ermittelte Rückflussdämpfung von H-MTD-Steckverbindern an beiden Enden eines konfektionierten Kabels dargestellt.
Konfektionierte H-MTD-Kabel von Rosenberger werden standardmäßig mit dem neuen Kabel GG 2Speed 251 hergestellt. Diese Kombination deckt ein weites Spektrum von Interfaces ab, das bereits 100/1000BASE-T1-Ethernet, 2/5/10GBASE-T1-Ethernet, FPD-Link und weitere SerDes-Lösungen der nächsten Generation umfasst. Angesichts dieser Vielseitigkeit kann das System aus Kabel des Typs GG 2Speed 251 und Steckverbindern des H-MTD-Systems umgehend auch für künftige PCIe-Systeme im Automobilbereich eingesetzt werden.
Überlegungen zur Signalaufbereitung
Redriver und Retimer sind erforderlich, um das Signal zu regenerieren und der zusätzlichen Einfügedämpfung und Beeinträchtigung des Signal-Rausch-Abstands entgegenzuwirken, die beim Transport von PCIe über verlustbehaftete Medien unweigerlich auftreten. Sowohl Redriver als auch Retimer sind im PCIe-Ökosystem von jeher tief verwurzelt. Bereits seit PCIe 2.0 werden Redriver auf der PCI-SIG Integrator’s List zugelassener Bauelemente geführt. Seit PCIe 4.0 sind Retimer formell Bestandteil der PCIe Base Specification. Als führender Halbleiteranbieter auf dem Gebiet der Signalaufbereitungstechnik bietet TI das nach eigenen Angaben branchenweit größte Portfolio an Redrivern, Retimern und passiven Switches für PCIe an, um eine Vielzahl an Anwendungsfällen im Industrie- und im Automotive-Bereich abzudecken (Tabelle 2).
Wenn es um Verbindungen innerhalb einer ECU oder über kurze Strecken geht, sind lineare Redriver eine gute Wahl. Für den nativen PCIe-3.0-Transport zielen TI-Redriver auf Anwendungen bis zu 5 m mit Kabeln des Typs GG 2Speed 251 STP und dem Steckverbindersystem Rosenberger H-MTD.
Für längere Strecken sind Retimer essenziell, um die Signalreserven zu maximieren. Verglichen mit dem Redriver warten PCIe-Retimer mit komplexeren Fähigkeiten wie zum Beispiel EQ, DFE und CDR auf. Zusätzlich bieten Retimer mehrere, der Link-Überwachung dienende Diagnose-Features, die zur funktionalen Sicherheit auf der Systemebene beitragen. Dies sind das Link Margining in Empfangsrichtung, ein eingebauter Augen-Monitor und die Kabelfehler-Erkennung. Für den nativen PCIe-3.0-Transport zielen TI-Retimer auf Anwendungen bis zu 10 m, ebenfalls mit Kabeln vom Typ GG 2Speed 251 STP und dem H-MTD-Steckverbindersystem von Rosenberger.
Bild 6 zeigt Anwendungsfälle für PCIe-Redriver und -Retimer anhand der erwarteten Einfügedämpfung für den gesamten Kanal. Zur Abschätzung der maximalen Kabellänge wurden die folgenden Annahmen zugrunde gelegt:
➔ Grenz-Einfügedämpfung für PCIe 3.0 in Empfangsrichtung gemäß PCIe-Spezifikation: 22 dB bei 4 GHz
➔ Bei 4 GHz werden die folgenden Einfügedämpfungs-Eigenschaften für den Kanal angenommen:
– ILcable_m bei Kabel vom Typ GG 2Speed 251 STP: 2,75 dB/m
– ILPCB bei Leiterbahn auf FR4-PCB: 4 dB für 6 Zoll (152,4 mm)
– ILconn für Steckverbinder und zusätzliche PCB-Bauteile: 1,5 dB
➔ Geschätzte maximale Kabellänge (m): (ILTotal – 2 · ILPCB – 2 · ILconn) / ILcable_m ·
Literatur
Signal Conditioning functions gomainstream in PCI Express Gen 4.: https://e2e.ti.com/blogs_/b/analogwire/posts/signal-conditioning-functionsgo-mainstream-in-pci-express-gen-4
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