Grundlagen der Signalintegrität

Tabelle 1. Ursachen von Verlusten entlang von Übertragungsleitungen

Verursachen

Beschreibung

Dielektrische Absorption

Hochfrequente Signale regen Moleküle im Isolator an, wodurch er Signalenergie absorbiert. Dies führt zu einer Verringerung der Signalstärke. Die dielektrische Absorption hängt mit dem verwendeten Leiterplattenmaterial zusammen und kann durch sorgfältige Materialauswahl verbessert werden.

Skineffekt

Unterschiedliche Stromwellenformen, die durch Wechselstrom und hochfrequente Signale verursacht werden, neigen dazu, sich auf der Oberfläche eines Leiters zu bewegen. Dies führt dazu, dass die Selbstinduktivität des Materials bei hohen Frequenzen eine erhöhte induktive Reaktanz erzeugt und Elektronen an die Oberfläche des Materials zwingt. Die effektive Reduzierung der leitfähigen Fläche bewirkt eine Erhöhung des Widerstands und damit eine Dämpfung des Signals. Eine Erhöhung der Spurbreite kann den Hauteffekt reduzieren, dies ist jedoch nicht immer möglich. Abbildung 3 veranschaulicht dieses Problem.

Tabelle 2. Schaltung in Stratix GX Transceiver FPGAs zur Überwindung von Dämpfungsproblemen

Verursachen

Beschreibung

Vorbetonung

Eine hochfrequente Dämpfung kann nicht allein durch eine Erhöhung der Signalstärke erreicht werden, da dies auch das mit dem Signal verbundene Rauschen und Jitter verstärkt. Die Vorbetonung verstärkt nur die hochfrequenten Komponenten des Signals, indem der Pegel des ersten übertragenen Symbols erhöht wird, während die nächsten Symbole unberührt bleiben - wenn sie auf derselben Ebene übertragen wurden.

Wenn beispielsweise ein Signal einen hohen Pegel für drei Symbole übertragen würde, würde nur das erste Symbol verstärkt, während die nächsten beiden auf dem üblichen Niveau übertragen würden. (Siehe Abbildung 3.) Wenn ein einzelnes Symbol auf einem hohen Niveau übertragen würde, würde dies ebenfalls verstärkt.

Die Vorbetonung ist auch eine Schlüsselfunktion, um die Auswirkungen von musterabhängigem Jitter zu überwinden, einschließlich Amplitudenverlust, Verschiebung in der Zeit und abgerundeten Signalkanten.

Empfängerentzerrung

Dedizierte Empfängerschaltungen werden verwendet, um die hochfrequenten Komponenten des Signals zu dämpfen, wenn es am Empfänger ankommt, um Leitungsverluste auszugleichen. Stratix GX-Geräte verfügen über eine programmierbare Entzerrung für 20-Zoll- und 40-Zoll-Übertragungsleitungen.

Tabelle 3. Arten der Kopplung, die Übersprechen verursachen

Kupplung

Beschreibung

Gegeninduktivität

Dies ist der Effekt des induzierten Stroms von einem angetriebenen Draht oder Aggressor, der auf dem leisen Draht oder Opfer mittels eines Magnetfeldes erscheint. Gegenseitige Induktivität bewirkt, dass positive Wellen am nahen Ende der Opferleitung (am nächsten zum Sender) erscheinen, was zu einer Near-End-Induktivität führt, während negative Wellen am anderen Ende der Übertragungsleitung (näher am Empfänger) auftreten, was zu Far-End-Cross-Talk führt.

Gegenseitige Kapazität

Dies ist die Kopplung von zwei elektrischen Feldern, bei denen elektrischer Strom proportional zur Änderungsrate der Spannung im Treiber in die Opferleitung eingespeist wird. Gegenseitige Kapazität bewirkt, dass positive Wellen an beiden Enden der Übertragungsleitung auftreten.

0-9

8b10b

Methode zum Codieren von 8-Bit-Daten in eine 10-Bit-Form, um sicherzustellen, dass Daten aus gleichen 1s und 0s bestehen. Wird bei Hochgeschwindigkeits-CDR-Datenübertragungen (Clock Data Recovery) verwendet, um die Datenübergangsdichte, taktintegrität und den DC-Ausgleich sicherzustellen.

Ein

Zeichen ausrichten

Spezieller Code oder Komma übertragen, um den Start der Daten in einem seriellen Stream anzuzeigen. Wird vom Empfänger verwendet, um die Daten neu auszurichten.

Dämpfung

Verringerung der Signalamplitude, die häufig durch die Länge verursacht wird, die ein Signal zurücklegen muss.

B

Badewannenkurve

Grafische Darstellung der Bitfehlerrate, die während der Bitfehlerratentests generiert wird. Die Form ähnelt oft einer Badewanne aufgrund der unterschiedlichen Datenkantenplatzierungen, die während des Tests verwendet werden.

BER

Bitfehlerrate. Der BER kann als die Anzahl der Fehlerbits dividiert durch die Anzahl der über einen bestimmten Zeitraum empfangenen Bits betrachtet werden.

BERT

Bitfehlerratentester. Instrument zur Messung der Bitfehlerrate. Besteht in der Regel aus einem Mustergenerator und einem Signalanalysator.

BIST

Eingebauter Selbsttest. In den Transceiver integrierte Schaltung, um eine Testbarkeit zu ermöglichen, ohne dass eine Verbindung zur Außenwelt hergestellt werden muss.

BW

Bandbreite. Frequenzgrenzen, bis zu denen ein System funktioniert.

C

CDR

Wiederherstellung von Taktdaten. Eine Technik zum Einbetten von Takt und Daten in ein einziges Signal für die Übertragung. Serielle Hochgeschwindigkeitsdaten erfordern, dass die Uhren in den Datenstrom eingebettet werden, um Verzerrungs- und Jitterprobleme im Zusammenhang mit der separaten Übertragung zu beseitigen.

Kanal-Aligner

Transceiver-Schaltung, die verwendet wird, um Transceiver-Kanäle auszurichten, wenn mehr als ein Kanal erforderlich ist, um eine Hochgeschwindigkeits-Datenschnittstelle zu verarbeiten.

CJTPAT

Kontinuierliches Jitter-Muster. IEEE-Testmuster, das bei 10-Gbit-Ethernet-Konformitätstests verwendet wird.

Codegruppen

Auswahl von Kommas, die in einem bestimmten Protokoll verwendet werden. Beispielsweise verwendet XAUI die Codes /K/, /A/, /R/ & /T/, wobei /K/ die Spursynchronisierung, /A/ die Spur-zu-Spur-Ausrichtung, /R/ den Skip-Code und /T/ den Abschluss angibt.

Komma

Eindeutige Codes, die innerhalb der 8b10b-Codierung für Steuerungsinformationen bereitgestellt werden. Auch bekannt als K-Zeichen.

Gleichtakt (VCM)

Ein Signal oder Rauschen identischer Größe und Phase, das an beiden Eingängen eines differenziellen Empfängers auftritt. Dieses Rauschen kann dann am Eingang des Empfängers entfernt werden, was als Gleichtaktunterdrückung bezeichnet wird.

Compliance-Punkte

Spezifische Messpunkte innerhalb einer Schaltung. Wird während der Systemcharakterisierung verwendet, um zu zeigen, dass ein Signal der Spezifikation entspricht.

Cross-Talk

Unerwünschtes Signal von einem Stromkreis, der einem Sekundärkreis überlagert ist, verursacht durch gegenseitige Induktivität oder gegenseitige Kapazität zwischen den beiden Schaltkreisen.

CRPAT

Kontinuierliches Zufallsmuster. IEEE-Testmuster, das bei 10-Gbit-Ethernet-Konformitätstests verwendet wird.

CRU

Taktrückgewinnungseinheit. Dedizierte Schaltkreise, die verwendet werden, um den Takt innerhalb eines CDR-basierten Übertragungsschemas wiederherzustellen.

E

EMI

Elektromagnetische Störungen. Unerwünschte elektromagnetische Wellen, die von einem Stromkreis zum anderen abstrahlen und Störungen oder Rauschen verursachen.
Ausgleich

Verfahren zur Steigerung der Verstärkung eines hochfrequenten Signals zur Kompensation der Signaldämpfung während der Übertragung. Die Entzerrungsschaltung ist im Allgemeinen in der Empfängerschaltung enthalten.

Augendiagramm

Eine überlagerte Hochgeschwindigkeitswellenform, die über eine Reihe von Datenzyklen erzeugt wird und Spannungs- und Timing-Rauschen im Zusammenhang mit einer Übertragungsleitung darstellt. Je sauberer das Auge innerhalb der Handlung, desto besser das Signal.

F

FFT

Schnelle Fourier-Transformation.

FR4

Standardlaminat für den Bau von Leiterplatten und Backplanes.

G

Boden Bounce

Momentanes Rauschen auf der Grundplatte des Geräts, wodurch ein 0-Signal fälschlicherweise als 1 angesehen wird. Ground Bounce wird durch gleichzeitiges Schalten von Ausgängen (SSO) verursacht.

H

HSPICE

HP Simulationsprogramm mit Schwerpunkt integrierte Schaltungen. Analoge Schaltungssimulationsmodelle zur Bestimmung des Transceiver-Verhaltens während der Systemsimulation.

Ich

IBIS

Spezifikation der E/A-Pufferinformationen. E/A-Puffer-Verhaltensmodelle, die zur Bestimmung des Transceiver-Verhaltens während der Systemsimulation verwendet werden. IBIS-Modelle sind nicht für Hochgeschwindigkeitssimulationen über 1 Gbit/s geeignet.

Leerlauf-Zeichen

K (Komma) Code-Datensequenz, die übertragen wird, wenn keine Daten vorhanden sind, um die Taktdatensynchronisation aufrechtzuerhalten. Die 8b10b-Codierung verwendet K28.5-Code für diese Funktion.

Impedanzanpassung

Funktion, um sicherzustellen, dass die Impedanz des Senders, des Empfängers und der Übertragungsleitung identisch sind. Nicht übereinstimmende Impedanzen können zu Signalreflexionen, Klingeln, Überschwingen, Unterschwingen und Treppenwellenformen führen.

ISI

Interferenzen zwischen Symbolen. Datenbeschädigung durch Rückstände eines früheren Signals, die die aktuellen Daten stören. Im Allgemeinen verursacht durch Reflexionen auf der Linie.

ITU-T

International Telecommunications Union Telecommunication Standardization Sector. Organisation für Telekommunikationsnormen.

J

JBOD

Nur ein Haufen Laufwerke. Speichernetzwerk bezeichnung für ein Festplattenlaufwerk oder eine Anzahl von Festplattenlaufwerken, die in einem eigenen Gehäuse, jedoch ohne Steuerungsprozessor, gemountet sind.

Flattern

Zeitverzögerung zwischen dem erwarteten Signalübergang und dem tatsächlichen Übergang.

L

LAN

Lokales Netzwerk.

LDT

Blitz-Datentransport. Niederspannungs-Differenzlogikstandard, der in computergestützten Anwendungen verwendet wird. Umbenannt in den HyperTransport ™-Standard.

LVDS

Differenzielle Niederspannungssignalisierung. Hochgeschwindigkeits-Differenz-I/O-Schnittstelle, die häufig in Hochgeschwindigkeits-Transceiver-Anwendungen verwendet wird.

M

Gehrung (Board-Layout-Kontext)

PCB-Begriff, der die Layouttechnik beschreibt, die verwendet wird, um sicherzustellen, dass Hochgeschwindigkeits-E/A-Kanäle eine äquivalente Spurlänge haben. Erscheinen als Wackeln auf einer Leiterplatte.

MJS

Methoden für die Jitter-Spezifikation. Dokument, das die Jitter-Spezifikation und die Messungen für ein bestimmtes Protokoll beschreibt, das ein Produkt erreichen muss, bevor es der Spezifikation entspricht.

Gegenseitige Kapazität

Die Kopplung von zwei Leitern über ein elektrisches Feld, das einen Strom auf die ruhige Leitung (Opfer) einspeist, proportional zur Änderungsrate der Spannung auf der angetriebenen Leitung (Aggressor).

Gegeninduktivität

Die Wirkung der Induktion von Strom von einer angetriebenen Leitung (Aggressor) auf eine ruhige Leitung (Opfer) mittels eines elektrischen Feldes.

O

Überschwingen

Der Prozentsatz, den eine Wellenform über ihren oberen bestimmten Wert ansteigt, bevor sie auf den richtigen Wert eingestellt wird.

P

PLATINE
Leiterplatte. Isolierte Platte, die mit einem vordefinierten Muster aus leitfähigem Material bedeckt ist, das zu einem Schaltkreis wird, wenn es mit elektronischen Komponenten bestückt wird.
PCML
Positiv emittergekoppelte Logik. I/O-Standard basierend auf Emitterpaarlogik, der aufgrund seiner schnellen Zustandsschalteigenschaften in Hochgeschwindigkeitsanwendungen verwendet wird.
PCS
Physische Codierungsunterschicht. Viele Protokolle unterteilen die physikalische Schicht des OSI-Modells (Open System Interconnection) in zwei weitere Unterschichten, PMA und PCS. Die PCS-Unterschicht beschreibt die digitale Funktionalität der physischen Schnittstelle, einschließlich Wortausrichtung, Mustererkennung und Datencodierungsschema wie 8b10b.
Musterdetektor
Transceiver-Logik, die verwendet wird, um bestimmte Datenmuster innerhalb des Datenstroms zu identifizieren, um die Daten auszurichten. Kann 8b10b-Kommacodes, A1A2-Muster in SONET-Daten oder Benutzerdatencodes verwenden.
PLL
Phasengesperrte Schleife. Ein geschlossenes Frequenzregelsystem, das auf der Phasendifferenz zwischen dem Eingangssignal und dem Ausgangssignal eines gesteuerten Oszillators basiert. PLLs können große und kleine Frequenzphasenabweichungen durch Grob- bzw. Feinabstimmung korrigieren.
PMA
Unterschicht für physische Mittelanhänge. Viele Protokolle unterteilen die physikalische Schicht des OSI-Modells (Open System Interconnection) in zwei weitere Unterschichten, PMA und PCS. Die PMA-Unterschicht beschreibt den analogen oder elektrischen Teil der Schnittstelle.
PRBS
Pseudo zufällige Bitsequenz. Eine Telekommunikationstestsequenz, die bestimmte Eigenschaften von Zufälligkeit und Autokorrelation aufweist. Während eine PRBS-Sequenz verwendet werden kann, um die Leistung eines Systems unter zufälligen Datenbedingungen zu bewerten, ist sie vollständig vorhersehbar und wiederholbar.
Vorbetonung
Verfahren zur Verstärkung eines Datensignals zum Ausgleich von IR-Verlusten, die durch das Übertragungsmedium verursacht werden. Die Vorbetonung verstärkt das Anfangssignal, wenn ein Übergang auftritt, aber ein Signal mit einer Lauflänge von mehr als 1 nach dem ersten Einheitsintervall wird weniger betont.
PWD
Verzerrung der Pulsbreite (siehe DCD).

R

Matcher bewerten

Transceiver-Logik, die verwendet wird, um empfangene Daten mit der internen Logikuhr abzugleichen. In CDR-basierten Systemen stimmen die Taktfrequenzen der Sende- und Empfangsgeräte oft nicht überein. Diese Diskrepanz kann dazu führen, dass die Daten mit einer Rate übertragen werden, die etwas schneller oder langsamer ist, als das empfangende Gerät interpretieren kann. Der Rate Matcher löst die Frequenzunterschiede zwischen der wiederhergestellten Uhr und der PLD-Logik-Array-Uhr auf, indem er herausnehmbare Zeichen aus dem Datenstrom einfügt oder löscht, wie vom Übertragungsprotokoll definiert, ohne die übertragenen Daten zu beeinträchtigen. Auch bekannt als Taktkorrektur.

Reflexion

Das Auftreten eines zuvor übertragenen Signals auf der Übertragungsleitung, das Interferenzen mit dem aktuellen Signal verursacht. Reflexionen werden durch eine schlecht terminierte oder diskontinuierliche Übertragungsleitung verursacht, bei der die Signalenergie im Empfänger nicht vollständig absorbiert wird und daher zurück zum Sender übertragen wird.

Klingeln

Das Auftreten von Signalüber- und -unterschwingen am Empfänger, verursacht durch Reflexionen auf der Übertragungsleitung.

RJ

Zufälliger Jitter. Unvorhersehbarer Jitter, der durch zufälliges Rauschen bei Kantenübergängen verursacht wird und von schlecht konstruierten Komponenten oder lauten Netzteilen herrührt.

RPAT

Zufälliges Muster. IEEE-Testmuster, das bei 10-Gbit-Ethernet-Konformitätstests verwendet wird.

Lauflänge

Die Anzahl der Einheitenintervalle (UIs) vor einem Übergang muss erfolgen, damit die Uhr aus dem Datenpfad wiederhergestellt werden kann. Bezieht sich auf CDR-basierte Übertragungen.

S

Scrambler

Vordefiniertes Übertragungscodierungsschema, das verwendet wird, um Daten zu bitstreuen, um DC-Balancing bereitzustellen und CDR sicherzustellen. Wird in SONET/SDH-Anwendungen verwendet.

SERDES

Serialisierer / Deserializer. Wandelt parallele Low-Speed-Daten von der Quelle in serielle Hochgeschwindigkeitsdaten für die Übertragung am Sender um. Wandelt empfangene serielle Hochgeschwindigkeitsdaten in parallele Daten mit niedriger Geschwindigkeit am Empfänger um.

Signalintegrität

Designtechniken, die verwendet werden, um sicherzustellen, dass die übertragenen Daten vom Empfänger innerhalb der Toleranzen des Protokolls erfolgreich interpretiert werden können.

SJ (Sinusförmiger Jitter)

Langsam variierender Jitter, der oft von einer PLL verfolgt wird. Sinusförmiger Jitter resultiert aus der Kreuzkopplung verschiedener Signale innerhalb des Systems. Auch bekannt als zyklostationäres Geräusch.

Schief

Zeitverzögerung zwischen verschiedenen gleichzeitig übertragenen Bits, gemessen am Empfänger.

Zeichen überspringen

K -Zeichen (Komma), die für die Datenausrichtung verwendet werden. Der Empfänger entfernt diese Zeichen aus einem Datenstrom, um Verzerrungsprobleme zwischen Kanälen oder zwischen Systemuhren zuzulassen. Wird für die Kanalausrichtung und den Ratenabgleich verwendet.

SONET

Synchrones optisches Netzwerk. Telekommunikationsnetzstandard, der den Anschluss optischer Systeme beschreibt.

SSO

Gleichzeitige Schaltausgänge. Bedingung, bei der eine Anzahl von Ausgängen gleichzeitig auf den gleichen Pegel umschaltet. Dies kann zu einem Bodenabprall in einem nicht geschützten System führen.

T

Beendigung

Hinzufügen von passiven Komponenten zur Übertragungsleitung, um die Impedanzanpassung zwischen Sender, Empfänger und Übertragungsleitung sicherzustellen.

TIA

Verband der Telekommunikationsbranche. Organisation von Kommunikationsstandards.

U

Unterschwingung

Der Prozentsatz einer Wellenform fällt unter den niedrigsten ermittelten Wert, bevor sie auf den richtigen Wert eingestellt wird.

V

Via (PCB-Kontext)

Wird als Methode der Interkonnektivität für eine mehrschichtige Leiterplatte verwendet. Konstruiert aus einem verzinnten Loch, das mit den Gleisen verbunden ist, die eine Verbindung erfordern.

VOD (VOD)

Spannungsausgangsdifferenz. Beschreibt die Spitze-Spitze-Spannungsdifferenz zwischen einem aktiven niedrigen und einem aktiven Hochsignalspannungspegel.

W

FAHL

Weitverkehrsnetz. Ein Kommunikationsnetzwerk, das verwendet wird, um eine Reihe von LANs miteinander zu verbinden.

Wandern

Ähnlich wie Jitter. Langfristige Variation einer digitalen Wellenform von ihrem ursprünglichen sendeten Zustand.

X

XAUI

10-Gbit-Schnittstelle der Anbaueinheit. Beschreibt die optionale 10-Gbit/s-Ethernet-Verbindung zwischen der physischen Schnittstelle (PHY) und der Medienzugriffssteuerung (Media Access Control, MAC). Kann als Alternative zu XGMII für Chip-to-Chip- oder Backplane-Anwendungen verwendet werden. XAUI bietet eine vierkanalige Schnittstelle mit 3,125 Gigabit pro Sekunde (Gbit/s).

XGMII

Medienunabhängige 10-Gbit-Schnittstelle. Beschreibt die 10-Gbit/s-Ethernet-Schnittstellenverbindung zwischen MAC und PHY. XGMII bietet eine 74-polige Schnittstelle, die mit 312 Mhz arbeitet.

XSBI

10-Gbit-Sechzehn-Bit-Schnittstelle. Beschreibt die optionale 10-Gbit/s-Ethernet-Schnittstellenverbindung zwischen MAC und PHY. Erfordert 16 Differenzspuren zwischen 622 und 645 Mbit/s.

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