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Kommunikation mit FPD-Link III SerDes

Systemdesign mit Highspeed-Datenkabeln

11. Dezember 2018, 14:00 Uhr | Von T. K. Chin

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Fortsetzung des Artikels von Teil 1

Die Einfügedämpfung

Die Einfügedämpfung ist ein weiterer wichtiger Parameter konfektionierter Kabel, der angibt, welcher Dämpfung ein Signal auf dem Weg vom Sender zum Empfänger unterliegt. Bild 8 gibt die Dämpfungseigenschaften eines 15 m langen Koaxial-Kabels wieder.

Bei DC, d. h. bei einer Frequenz von 0 Hz, ist der Innenwiderstand des Kupferdrahts verantwortlich für die Einfügedämpfung. Bei niedrigen Frequenzen unterhalb etwa 500 kHz wird die Einfügedämpfung vom Skin-Effekt dominiert. Die Elektronen neigen nämlich dazu, an die Außenseite des Leiters zu wandern, wodurch sich der effektive Widerstand der Leitung erhöht. Die auf den Skin-Effekt zurückzuführende Dämpfung ist umgekehrt proportional zur Frequenz. Bei höheren Frequenzen wird die Einfügedämpfung von den dielektrischen Verlusten beherrscht, die von den elektrischen Eigenschaften des dielektrischen Materials, welches den Leiter umgibt, beeinflusst werden. Die dielektrischen Verluste sind proportional zur Frequenz.

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Die Einfügedämpfungs-Charakteristik eines Kabels ähnelt der eines Tiefpassfilters, das einen schnellen seriellen Bitstrom, der durch das Kabel übertragen wird, mit einem ISI-Jitter (Inter-Symbol-Interferenz) versieht. Ein Empfänger ist in der Regel mit einer eingebauten Equalizerschaltung ausgestattet. Diese implementiert ein Hochpassfilter, das die Tiefpassfilterwirkung des Kabels kompensiert. Ein adaptiver Equalizer enthält einen Regelkreis, der automatisch eine Hochpassfilter-Einstellung wählt, die der Dämpfungs-Charakteristik des Kabels bestmöglich entspricht.
Welches Highspeed-Kabel das richtige ist, hängt von verschiedenen Kriterien ab:

vom verwendeten Frequenzbereich
vom linearen Bereich, in dem es keinen abrupten Abfall der Einfügedämpfung innerhalb des Frequenzbereichs gibt
davon, ob die Einfügedämpfung in einen Bereich fällt, der vom Equalizer des Empfängers kompensiert werden kann.

Wie Bild 8 erkennen lässt, besitzt ein 15 m langes Koaxial-Kabel eine nutzbare Bandbreite von 3 GHz und kann Datenraten bis etwa 6 Gbit/s unterstützen. Bild 9 zeigt die Einfügedämpfung eines differentiellen STQ-Kabels. Wie man sieht, gibt es einen abrupten Einbruch in der Dämpfungskurve, der durch die Verdrillungs-Eigenschaften der Leiter verursacht wird. Das 10 m lange differentielle Kabel weist eine nutzbare Bandbreite von 2,5 GHz auf und unterstützt Datenraten bis rund
5 GBit/s.

Bedeutung der Kabelsymmetrie

Die Kabelsymmetrie ist für differentielle Signalisierungs-Topologien von entscheidender Bedeutung, damit die am Ende des differentiellen Kabels empfangenen Signale weiterhin von gleicher Amplitude sind, aber die entgegengesetzte Phasenlage aufweisen. Kabelsymmetrie bedeutet, dass die beiden Leiter eines differentiellen Leiterpaars identische physikalische Parameter (z. B. Querschnitt, Länge und Verdrillung) haben und auch in ihren Materialeigenschaften (z. B. Dielektrizitätskonstante) übereinstimmen.

Ein asymmetrisches Kabel bewirkt eine Modenumwandlung. Dabei wird ein Teil der übertragenen differentiellen Signale in ein Gleichtaktsignal umgewandelt, was einen Einfluss auf die Signalqualität des Empfängers hat. Bild 10 illustriert die Umwandlung eines differentiellen Signals in ein Gleichtaktsignal durch ein differentielles Kabel. Ein Highspeed-Kabel sollte hochgradig symmetrisch sein, und seine Modenumwandlung sollte um mehr als 10 dB geringer sein als seine Einfügedämpfung.

Im Zeitbereich zeigt ein asymmetrisches Kabel meist eine (oder beide) der folgenden Verhaltensweisen:

Signalversatz innerhalb des Leiterpaars: Die komplementären Signale kommen zu etwas verschiedenen Zeiten am Ziel an
Ungleiche Amplituden: Die komplementären Signale weisen leicht unterschiedliche Amplituden oder Signalverläufe auf

Übermäßige Moden-Umwandlung führt zu Verzerrungen des empfangenen differentiellen Signals. Als Abhilfemaßnahme bei einem asymmetrischen Kabel eignet sich eine Gleichtaktdrossel, die in der Regel in der Lage ist, unerwünschte Gleichtaktsignale am Eingang des Empfängers einzudämmen.

Das Übersprechen – und was es bewirkt

Unter Übersprechen versteht man ein Störsignal, das von einem Sender („Aggressor“) auf einen Empfänger („Opfer“) einwirkt. Bild 11 illustriert das Fern-Übersprechen (Far-end crosstalk, FEXT) bei einer unidirektionalen Übertragung und das Nah-Übersprechen (Near-end crosstalk, NEXT) bei einer bidirektionalen Übertragung.

Benachbarte Signal-Pins in einem Steckverbinder tragen erheblich zum Übersprechen bei. Durch Übersprechen verringert sich der Signal-Rauschabstand am Eingang eines Verstärkers. Bei höheren Frequenzen ist das empfangene Signal wegen der höheren Einfügedämpfung schwächer, während das Übersprechen zunimmt und die Qualität des empfangenen Signals dadurch weiter verschlechtert. Bild 12 gibt die Einfügedämpfung und das Übersprechen an einem STQ-Kabel wieder. Die Wahl eines gut entwickelten konfektionierten Kabels gewährleistet ein akzeptables Verhältnis zwischen Signal und Übersprechen. In Bild 12 verschlechtert sich die Bandbreite des Kabels FEXT-bedingt um etwa 2 GHz.

Übersprechen kommt nicht nur bei Kabeln mit mehreren Leiterpaaren vor. Bild 13 zeigt schematisch einen Vierfach-Empfänger in einem Kamera-Hub, an den über vier separate Kabel vier Kameramodule angeschlossen sind. Jeder Empfänger ist dem Übersprechen von den drei anderen, als Aggressoren fungierenden Sendern ausgesetzt, sodass ein Vierfach-Steckverbinder mit geringem Übersprechen gewählt werden sollte.

Weitere Überlegungen für den Automotive-Bereich

Ein konfektioniertes Kabel für eine Automotive-Anwendung muss hohen Temperaturen und weiteren rauen Einsatzbedingungen widerstehen. Um das Verlegen des Kabels und die Installation des Equipments zu vereinfachen, sind die in Fahrzeugen verwendeten Kabel meist mit mehreren Steckverbindern versehen. Wie in Bilde 4 und 5 bereits deutlich wurde, bewirkt jeder Steckverbinder gewisse Impedanz-Unstimmigkeiten, und mehrere In-line-Steckverbindern beeinträchtigen die Rückflussdämpfung des Kabels.

Aus Impedanz-Unstimmigkeiten resultierende reflektierte Signale können auch zu gewissen Schwankungen der Einfügedämpfung führen. Wie sich In-Line-Steckverbinder im Vergleich zu einem gleich langen reinen Kabel auf die Rückfluss- und Einfügedämpfung auswirken, ist aus Bild 14 zu entnehmen.

Einmal in ein Fahrzeug eingebaut, muss ein konfektioniertes Kabel widrigen Temperaturen und mechanischen Belastungen infolge von Biegung wiederstehen. Mit Temperaturwechselprüfungen und mechanischen Belastungstests lässt sich sicherstellen, dass ein Kabel die Lebensdauer eines Autos ohne Schaden übersteht. Wie sich die Einfügedämpfung nach Temperaturwechseltests und mechanischen Belastungstests verändert, zeigt Bild 15.

Verständnis für Kabel-Verhalten wichtig

Nicht alle Kabel sind gleich. Deshalb ist ein genaues Verständnis der Parameter von Kabeln eine entscheidende Voraussetzung dafür, dass für betriebssichere Infotainment- und Fahrassistenz-Subsysteme in Automobilen kosteneffektive und leistungsfähige konfektionierte Kabel hergestellt werden können. Die Rückfluss- und Einfügedämpfung des Kabels sollten den Anforderungen der FPD-Link-III-SerDes-Chipsätze gerecht werden. Als weitere wichtige Aspekte für die Sicherstellung eines hinreichenden Signal-Rauschabstands und der Betriebssicherheit der Kabelverbindung kommen die Kabelsymmetrie und das Übersprechen hinzu.

Literatur

www.ti.com/support (dort verschiedene Datenblätter zum FPD-LinkIII-SerDes-Portfolio)

Der Autor

T. K. Chin

ist Systems Manager für die Ethernet- und FPD-Link-Produktlinie bei Texas Instruments, speziell für Anwendungen im Automotive-Infotainment- und im Fahrerassistenzsysteme-Bereich.