Kabel für die Datenkommunikation
Signalintegrität bei Highspeed sichern
Hohe Datenraten erzwingen neue Wege, um Signalintegrität zu garantieren. Samtec ermöglicht, die Beschränkungen klassischer mehrspuriger Leiterplatten-Signalbusse zu überwinden und die Vorzüge flexibler Kabelkonfektionen zu nutzen, die moderne Spezifikationen von Kommunikationsanwendungen erfüllen.
Architekturen für elektronische Systemebenen benötigen schnellere Datenraten mit höherwertigen Modulationsverfahren in kompakteren Formfaktoren. Dies erschwert das Layout von Leiterplatten, da die Verluste in den Übertragungsleitungen und die Anfälligkeit für Rauschen, Reflexionen und Übersprechen minimiert werden müssen, um die Signalintegrität zu erhalten und die Anforderungen an die maximale Bitfehlerrate (BER) zu erfüllen. Auch elektrische oder optische Mehrspursignale zwischen ICs oder von Board zu Board erfordern eine minimale Signalverzerrung, insbesondere bei Differenzsignalpaaren.
Eine Möglichkeit, diese Anforderungen zu erfüllen und aus Kostengründen den Einsatz von Standard-Leiterplattensubstraten zu ermöglichen, ist die Nutzung von Highspeed-Kabeln, anstatt sich ausschließlich auf Leiterbahnen zu verlassen. Diese Kabelkonfektionen verwenden referenzbezogene und Differenz-konfigurationen, fortschrittliche Materialien sowie Techniken, die eine sehr gute Signalintegrität bieten und hochdichte, mehrspurige Signalpfade in Kupfer oder Glasfaser unterstützen. Einige Implementierungen bieten Betriebsraten von bis zu 64 Gigabit pro Sekunde (Gbit/s).
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Das Bedürfnis nach Geschwindigkeit
Die Welt ist hungrig nach schneller Kommunikation. Anwendungen wie 5G- und 6G-Mobilfunk, künstliche Intelligenz (KI), Quantencomputing und Big Data führen zu neuen Systemarchitekturen und erfordern höhere Bandbreiten bei schnelleren Übertragungsraten als bisher, während die Größe von Geräten und Systemen schrumpft. Diese neuen Technologien erfordern Verbindungen, die sehr hohe Signalintegrität bieten und die ein hohes Signal-Rausch-Verhältnis (SNR) bei Rauschen, Übersprechen, Reflexionen, elektromagnetischen Störungen und anderen Verlusten sowie Störquellen aufrechterhalten können.Höhere Geschwindigkeiten haben Änderungen in der Verbindungstechnik nötig gemacht. Erstens wird die referenzbezogene Signalübertragung, bei der die Daten über eine einzige Leitung mit Bezug auf eine Rückleitung (oft als Masse bezeichnet) übertragen werden, durch differenzielle Signalverbindungen ersetzt, bei denen zwei Leitungen die Datensignale 180˚ phasenverschoben übertragen.
Die Differenzsignalisierung verbessert das SNR durch Unterdrückung des gemeinsamen Rauschens der beiden Leiter (Gleichtaktrauschen). Zweitens geht die Datencodierung von der NRZ-Codierung (Non-Return-to-Zero) mit einem Bit pro Taktzyklus zu mehreren Bits pro Taktzyklus über, wie die Puls-Amplituden-Modulation mit 4 Stufen (PAM4), die vier verschiedene Stufen oder zwei Bits pro Taktzyklus codiert (Bild 1).
PAM4 packt zwei Datenbits in jeden Taktzyklus, wobei die vier Zustände als 00, 01, 10 oder 11 codierte Zustände verwendet werden. Dadurch verdoppelt sich die Datenrate bei einer festen Taktrate, aber das SNR sinkt aufgrund der geringeren Amplitudenschwankungen zwischen den Datenzuständen. Die PAM4-Signalübertragung benötigt daher ein höheres Maß an Signalintegrität.
Charakterisierung der Leistung von Übertragungsleitungen
Unabhängig davon, ob es sich um gedruckte Schaltungen oder Kabel handelt, wird die Leistung von Übertragungsleitungen in der Regel im Frequenzbereich durch Streuparameter (S-Parameter) charakterisiert. S-Parameter beschreiben die Eigenschaften einer Komponente auf der Grundlage des elektrischen Verhaltens, das an den Eingängen und Ausgängen beobachtet wird, ohne dass die spezifischen Komponenten im Inneren des Geräts bekannt sind. Zur Beschreibung von Komponenten mit zwei Anschlüssen, wie etwa Kabeln, werden verschiedene Gütefaktoren verwendet, die auf gemessenen S-Parametern beruhen.
Die am häufigsten verwendeten Gütefaktoren sind:
➔ Einfügedämpfung: Die Dämpfung eines Signals, das sich vom Eingang zum Ausgang eines Kabels ausbreitet, ausgedrückt in Dezibel (dB). Eine ideale Übertragungsleitung hat eine Einfügedämpfung von 0 dB.
➔ Rückflussdämpfung: Der Verlust (in dB) aufgrund von Signalreflexionen, die aus einer Impedanzfehlanpassung am Ausgang resultieren.
➔ Übersprechen: Ein Maß (in dB) für unerwünschte Signale, die aufgrund von benachbarten Leitungen in die Übertragungsleitung eingekoppelt werden.
Weitere interessante Gütefaktoren sind die Laufzeitverzögerung der Übertragungsleitung und der Zeitversatz. Die Laufzeitverzögerung ist die zeitliche Verzögerung, mit der sich ein Signal durch eine Übertragungsleitung ausbreitet. Der Zeitversatz ist die Zeitdifferenz zwischen Signalen auf zwei oder mehr Übertragungsleitungen.
Optionen für Übertragungsleitungen
Es ist eine Herausforderung, die Anforderungen von Hochfrequenz- und Mehrspurkonfigurationen moderner Datenkommunikationsstandards mit herkömmlichen Ansätzen für das PC-Board-Substratdesign bezüglich der Gütefaktoren kosteneffizient zu erfüllen. Daher hat Samtec Hochgeschwindigkeitskabel entwickelt, bei denen die firmeneigenen Eye-Speed-Mikrokoaxial- und -Twinaxialkabel zum Einsatz kommen. Sie zeichnen sich durch geringe Verluste und sehr gute Signalintegrität aus. Diese Kabel, die in mehrspurige Kabelsysteme integriert sind, bieten aufgrund ihrer speziellen Konstruktion eine optimale Leistung (Bild 2).
Eye-Speed-Koaxialkabel
Eye-Speed-Koaxialkabel sind mit mittig angeordneten 26 AWG (American Wire Gauge) bis 28 AWG durchmessenden Litzenleitern erhältlich. Diese Koaxialkabelkonstruktion bietet eine hohe Flexibilität sowie geringes Gewicht und Größe, was besonders bei längeren Strecken wichtig ist. Das Dielektrikum besteht aus einer festen Extrusion von fluoriertem Ethylen-Propylen (FEP) mit niedriger Dielektrizitätskonstante, das mit Luft aufgeschäumt wird. Durch das Schäumen entsteht ein Lufteinschluss, der zu einer hohen Signalgeschwindigkeit führt. Diese Kabelfamilie bietet eine Auswahl an metallischen Band- oder Geflechtabschirmungen für verbesserte Signalintegrität.
Eye-Speed-Twinaxialkabel
Die Konstruktion des Eye-Speed-Twinaxialkabels verwendet versilberte 28 AWG- bis 36 AWG-Kupferleiter. Dickere Drähte sorgen für geringere Einfügungsdämpfungen, während dünnere Drähte mehr Flexibilität bieten. Die Koextrusion des Dielektrikums verbessert die Signalintegrität und die Bandbreite und ermöglicht Übertragungsraten von 28 Gbit/s bis 112 Gbit/s. Die kompakte Bauweise führt zu einer engen Kopplung zwischen den Signalleitern und einem geringeren Abstand für eine kleinere Teilung innerhalb der Kabelkonfektion. Die Einfügedämpfung für 0,25 m Eye-Speed-Twinaxialkabel für Daten, die mit 14 GHz getaktet sind (56 Gbit/s PAM4), liegt im Bereich von -1 bis -2,2 dB, je nach Drahtdurchmesser. Der zeitliche Versatz zwischen den Leitern im Twinaxialkabel beträgt weniger als 3,5 Pikosekunden pro Meter. Beide Kabeltypen unterstützen die Flyover-Technik von Samtec.
Die Flyover-Technik nutzt die hohe Bandbreite und den geringen Verlust von Eye-Speed-Kabeln, um Busstrukturen auf der Platine zu ersetzen und so die Verluste erheblich zu reduzieren (Bild 3). Da diese Technik weniger Platinenlagen benötigt, vereinfacht sie das Platinenlayout für Datenraten über 28 Gbit/s. Es ermöglicht auch die Verwendung von weniger teuren Leiterplattenmaterialien.
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