Быстродействие систем µTCA за счет сохранения высокой целостности сигнала на объединительной плате

Высокие скорости передачи данных требуются не только телекоммуникационным приложениям, исключительно для которых до сих пор и создавались современные стандарты TCA (Telecom Computing Architecture, вычислительная архитектура для телекоммуникационных приложений). Этого требуют и промышленные применения. К ним относятся, например, системы управления машинами и технологическими процессами. Решающую роль в этом играет прежде всего стандарт µTCA с его системно обусловленной высокой модульностью.
Исходным моментом последующих рассуждений является последовательная передача данных, ведь для высокоскоростных приложений надо выйти из мира параллельных шин и перейти на соединения «точка–точка». В таких приложениях во избежание образования в передаваемых последовательно пакетах данных длинных последовательностей нулей или единиц, усложняющих генерирование тактовых импульсов и восстановление данных, широко применяется кодирование 8/10 бит.

Рис. 1. В комплексных системах почти не видна, но играет решающую роль: оптимизированная объединительная плата µTCA, обеспечивающая максимальную целостность сигнала

При использовании µTCA данные передаются через шины Gigabit Ethernet, PCI-Express, Serial Rapid I/O, Serial Attached SCSI или Advanced Switching с помощью NRZ-сигнала (кодирование сигнала «без возврата к нулю»). Ширина полосы для передачи данных без помех определяется крутизной фронта сигналов. При основной частоте в 3,125 ГГц должна быть обеспечена целостность сигнала до ширины полосы минимум 15,625 ГГц, т.е. до частоты 5-й гармоники.
Функциональным носителем в системах µTCA являются платы Advanzed Mezzanine Cards (AMC). По соображениям экономии контактирование осуществляется не с помощью двухкомпонентных разъемов, а с помощью штекеров на объединительной плате µTCA и золотых контактных площадок непосредственно на плате AMC. Механическая конструкция обусловливает необходимость в проведении 170 контактов через эти разъемы на ширине всего 73,5 мм, а для Virtual Shelf Manager — даже 680 при той же ширине. Для исследования эффективности различных геометрий проводника и влияния используемых разъемов фирма Elma Trenew Electronic GmbH, опытный специалист по объединительным платам и базовым системам, провела ряд обширных испытаний. На специально разработанной для этого тестовой объединительной плате µTCA с помощью рефлектометра для измерения временных характеристик (TDI — Time-Domain Reflectometer) и векторного сетевого анализатора (VNA — Vector Network Analyser) проводились систематические измерения физических свойств с целью получения важнейших сведений об основных парамет­рах, влияющих на целостность сигнала.

В линии связи импульсы расширяются относительно исходного сигнала за счет дисперсии, скин-эффекта, ди­электрических потерь и отражений (см. рис. 2).

Рис. 2. Опорный сигнал: глазковая диаграмма в точке подключения питания

Поскольку импульсы расширяются по нескольким периодам, имеет место межсимвольная интерференция, которая, как показали измерения, оказывает решающее влияние на целостность сигнала (см. рис. 3)!

Рис. 3. Глазковая диаграмма для деформированного эффектом межсимвольной интерференции сигнала через 396 мм: 173 повреждения маски из-за неоптимальной топологии

«Расплыванию» импульсов способствуют также индуктивные эффекты шлейфов (для разъемов THT) или «костные» эффекты (Knocheneffekt, чрезмерное осаждение металла по краю монтажного отверстия) с напряженностью поля до 1,2 нГн (для разъемов SMT). Таким образом, межсимвольная интерференция ограничивает фактически используемую полосу пропускания.
Каждый проводник в зависимости от геометрии, диэлектрических свойств и частоты имеет свои значения линейной емкости и индуктивности, приводящие к расширению импульсного сигнала. Расширение тем больше, чем длиннее линия передачи. Для каждого отдельного проводника это приводит к своей скорости распространения и, тем самым, к искажениям, которые обусловлены различиями времен задержки и проявляются в глазковой диаграмме как дрожание. Для пар проводников эти различия во времени задержки нужно точно согласовывать с точностью до нескольких пикосекунд. Оптимизацию можно и нужно проводить за счет правильного выбора материала основы объединительной платы, но прежде всего за счет правильной стратегии расположения элементов.

С повышением частоты эффекты, появляющиеся в электрическом поле, начинают преобладать. Измерения показали, что передача данных происходит при этом преимущественно в среде такого поля. Поэтому следует оптимизировать не только проводники и контакты разъемов, но и поле, в котором происходит передача данных. За счет выбора соответствующей геометрии разъемов и расположения элементов необходимо компенсировать дисперсию, скин-эффект, диэлектрические потери, шлейфовый и «костный» эффект и тем самым положительно повлиять на целостность сигнала. При этом следует учитывать экономичность решений и стоимость материалов основы.
Еще одним мешающим фактором является перекрестная модуляция между дифференциальными парами. В технологии µTCA в качестве линий передачи данных используются симметричные дифференциальные пары проводников в каждом направлении (одна пара для передачи, а другая пара для приема). В идеале соседние пары должны располагаться на достаточно большом расстоянии друг от друга и экранироваться отражающими элементами. Однако в этом случае понадобилось бы большое число слоев печатной платы, что связано с высокими расходами, а также с проблемами изготовления. Кроме того, с увеличением толщины платы возрастает влияние шлейфового эффекта. Таким образом, и здесь важно найти компромисс между идеальным и технико-экономически рациональным решением.
Измерения показывают, что на объединительной плате искажения сигнала определяются затуханием и потерями. В разъеме же преобладают перекрестные наводки. Поэтому важным параметром при измерении перекрестных наводок является NEXT (Near Ended Crosstalk, перекрестные наводки на ближнем конце). Перекрестные наводки на дальнем конце FEXT (Far Ended Crosstalk) затухают в печатной плате и поэтому этим фактором можно пренебречь.

Благодаря измерению сигнала удалось усовершенствовать процедуру разработки топологии для µTCA. При этом экономится количество слоев, а перекрестная наводка, как минимум, удерживается в допустимых границах, часто даже не выходит за нижний предел. Так, компания ELMA вместе с партнером Enigma в одной из своих объединительных плат AdvancedTCA осуществила передачу со скоростью 6,25 Гбит/с с использованием специального кодирования, причем с достаточным резервом в сторону увеличения, что позволяет говорить о реальной возможности достичь еще более высоких скоростей передачи данных (см. рис. 4).

Рис. 4. Глазковая диаграмма на отметке 396 мм с оптимальной топологической стратегией: повреждений маски нет

Измеренные значения S-параметров используются при моделировании. Это позволит в будущем, еще до начала разработки топологии, исследовать весь пакет «Разъем плюс объединительная плата» с точки зрения целостности сигнала, а значит, решающим образом сократить процесс разработки и сроки освоения рынка.
Компания ELMA с самого начала поддерживает данный сегмент рынка: для потенциальных пользователей перспективной технологии µTCA разработан комплекс системных компонентов, на основе которого изготавливаются испытанные и готовые к немедленному применению блоки µTCA серии blu!. Это интегрированные объединительные платы, которые реализуют положительные результаты описанной выше серии испытаний. Наряду с конструкцией в виде куба (blu!cube) используются современные конструкции в виде 19-дюймовых блоков (blu!box), а также заказные решения в форм-факторах для телекоммуникационных и других приложений. Кроме того, для этой «требовательной» технологии предлагается комплексный консалтинговый сервис, который призван изначально исключить возможные ошибки реализации заказных систем.