高速背板设计考虑和创新解决方案分析

高速背板设计者面临讯号衰减、符号间干扰(ISI)及串扰等几项主要挑战。具有创新讯号调整技术的芯片产品(如高速背板接口解决方案)可有效解决这些系统级难题，使系统厂商能为其客户提供高性能及可升级的系统，并减少开发时间及成本。
路由器、以太网络交换机及储存子系统等基于模块化机箱的系统中，高速背板要求有高等级的讯号完整性及更高的系统吞吐量。针对这些应用的系统供货商为了用一种经济且及时的方式来设计这些高速背板，正面临众多挑战。他们还必须保护其客户在原有线卡、机箱及电源上的投资，同时还必须支持更高的性能及提供更新的服务。

今天，一些系统中的背板正采用5Gbps或更高速的串行链路技术执行。为设计能以这种速率工作的高可靠系统，要求芯片厂商提供确保在背板中进行无错误传输的解决方案。本文将阐述基于模块化机箱系统中的高速背板及其设计挑战，同时将讨论能解决这些挑战的芯片解决方案。
基于模块化机箱的系统实例
像核心路由器、企业级交换机及储存子系统等模块化机箱系统，全都拥有高速背板及多个线卡。透过增加更多的线卡以及提高线卡端口密度，可提高系统性能及容量。这些系统均为模块化，可独立进行扩展。它们还被设计成具有高可用性以确保连续执行。
这些系统由含有冗余开关卡、线卡及电源模块的插槽组成。它们可配备冗余组件来增加安装的可靠性及可用性。图1为一种典型的基于模块化机箱的系统配置。背板接口解决方案(亦称为高速串行连接)提供高速背板间的全双工通讯。串行连接组件的速度取决于系统吞吐量要求。串行连接透过高速差分讯号来传输数据。然后此差分讯号又透过线卡及连接器路由，穿过背板并经过另一组高密度连接器。其讯息信道特征取决于背板材料、连接器密度、走线宽度/耦合等。在典型的路由器中，根据线卡插入这些走线中的位置，走线长度可在1英寸至48英寸范围内。

这些模块化机箱系统中的背板接口组件具有以下一些关键要求：
1．提高速度：接口组件应能满足系统设计者不断提高的频宽要求。芯片厂商目前正出售3.125-5Gbps速率并在提供6.25Gbps解决方案的样品，以实现对现有背板中的解决方案进行升级。透过简单的开关卡升级，系统厂商可再利用现有机箱及线卡，同时提供一种向更高频宽线卡的升级途径，以低成本来为客户提供更多的服务；
2．后向兼容性：背板接口组件要求能以原有线卡速度工作，以便与原有线卡兼容；
3． 高密度及低功耗：为应付日益增加的网络流量，这些系统需要更小的占位面积及更高的性能和密度，且不会额外增加的功耗。因此对功耗更低、速度更快的背板组件的需求始终存在。
4． 可制造性及可测试性：背板接口组件需要整合JTAG及BIST等功能，来实现原型制作及制造期间的芯片级和系统级测试。
高速背板设计考虑
随着数据速率超出1Gbps水平，设计人员必须解决其背板系统设计中的新问题。这些背板的讯号完整性受趋肤效应、介电损耗、串扰引起的更大噪音以及符号间干扰(ISI)等因素的影响。
趋肤效应是这样一种现象，即随着频率的增加，大部份电流将集中于外部导体上。由趋肤效应所引起的损耗与频率的平方根、走线的宽度和高度成正比。
介电损耗是由板电介质热损耗所引起，且随频率线性增加。在较高频率上，介电损耗便成为一个较严重的问题。这些损耗不仅降低讯号的幅度而且还减慢讯号的边缘速度，进而造成讯号发散及抖动容限较差。
因为衰减较少的低频分量与衰减较多的高频分量在接收器上相加，讯号发散将导致符号间干扰。结果，其视图开口变小，因此更难在接收端上恢复，因而导致无法接受的误码率。这限制了最大位速率。另一种解释此现象的方式是，讯号‘变脏’或发散，导致使能量逐位下降，进而产生误码。在较低速率上，可对ISI进行校正，因为有足够的时序余量。但在较高速率上，ISI不再只限于讯号边界，而是能影响整个位宽度。
噪音的主要来源是由高密度的连接器及背板走线引起的串扰。串扰是高密度连接器与背板布局布线导致的一种主要噪声源。有两种类型的串扰：近端串扰(NEXT)与远程串扰(FEXT)。靠近受害接收器的发射器发出的讯号干扰接收的讯号时将引起NEXT。而当接收讯号受到与受害接收器相连的‘远程发射器’干扰时则会引起FEXT。所有这些讯息信道损害均可在背板互连组件中用特殊的讯号调整(例如预加重及均衡等)电路来予以补偿或消除。这些电路透过衰减低频分量及放大高频分量来补偿讯号损耗。
创新讯号调整技术
背板接口组件的关键作用是解决损耗及串扰等讯息信道损害问题，并由此而延长背板的使用寿命。接口发射器拥有幅度控制及预加重等讯号调整电路。
同样，背板接口接收器采用均衡技术来控制损耗。另外，这些组件还要求具有JTAG及BIST等可测试特性，以在制造时能进行系统级测试。美国国家半导体公司的四路5Gbps SerDes可满足所有这些要求的。以下对四路5Gbps背板收发器SCAN50C400对及其它高速背板接口组件所采用的讯号完整性技术进行详细介绍。
预加重与去加重：此项技术在讯号发送前对其进行预扭曲，以使接收器上的讯号质量如同原始发送的质量。当讯号在直流电平上保持超过一个位的时间时，预加重就会抬高高频分量而降低低频分量。在设计这些方法的过程中，系统设计人员必须仔细控制输出幅度以限制输出功率。
接收均衡：接收均衡透过对输入数据运用相对频率特征来补偿讯息信道的损耗特征。有两种均衡电路：固定式与自适应式。固定式均衡器对补偿特征进行手工设置，而自适应式均衡器则采用自适应算法来设置最佳补偿特征，这使用户能将一种组件应用于各种不同的讯息信道。它还能对制造偏差及环境变化给讯息信道特征带来的变化进行自动补偿。
接收均衡功能既可整合在背板接口组件中，也可在独立组件中执行。在独立组件中执行接收均衡的优势是可提供最佳的布线优势及设计灵活性。
串扰噪音消除：除预加重及接收均衡技术外，在某些系统中也采用串扰消除技术。这些芯片采用这样一种噪音消除机制，即对邻近讯息信道上的噪音进行采样，然后再将其从讯号中减掉。