Применение усовершенствованных эквалайзеров и 20-м медных кабелей в линиях связи

Введение

По мере увеличения скорости последовательной передачи данных возрастают потери и искажения в линии связи. При скорости 1 Гбит/с потери и искажения сигнала относительно невелики, что позволяет работать с ним с помощью стандартных хост-микросхем и кабелей в большинстве приложений.

При увеличении скорости передачи данных до 10 Гбит/с искажения и потери возрастают в значительной мере. Многие новые стандарты передачи данных, в т.ч. спецификация SFF8431, разработаны также для пассивных медных кабельных узлов. Использование традиционных хост-микросхем и стандартных медных кабельных узлов позволяет создать канал связи длиной около 3 м.

Благодаря усовершенствованным эквалайзерным микросхемам возможность создания каналов связи со скоростью передачи данных до 10 Гбит/с становится вполне реальной. Для увеличения длины кабеля в хост-микросхемах используются две технологии.

Во-первых, для минимизации искажений используется корректирующий передатчик 10GBASE-KR который определяется стандартом IEEE802.3ap. У передатчика больший выходной сигнал по сравнению с другими стандартными передатчиками 10GbE, например, с модулем SFP+.

Формирователь выходных данных KR использует данные последующей и предшествующей корректирующей точек. Он реализует 3-точечный цифровой фильтр с конечной импульсной характеристикой (КИХ) для коррекции сильных искажений в длинном медном кабеле.

Во-вторых, в качестве приемника используется самый мощный для 10-Гбит/с Ethernet-сетей модуль 10GBASE-LRM на основе технологии автоматической компенсации дисперсии (Electronic Dispersion Compensation, EDC). Архитектура EDC позволяет корректировать сигнал с помощью блоков регулирования с прямой связью (Feed Forward Equalization, FFE) и распределенной обратной связи (Distributed Feedback Equalization, DFE).

В статье обсуждается вопрос создания 20-м линий связи 10GbE на основе новейших технологий модернизации медных кабельных узлов и хост-микросхем с 3-точечными КИХ-передатчиками и EDC-приемниками.

Новейшие технологии модернизации аппаратных средств

По мере повышения скорости передачи данных при неизменной длине медных кабелей увеличиваются искажение и ослабление сигнала. Многие стандарты 10GbE предусматривают для таких приложений усовершенствованные методы коррекции, позволяющие переопределить понятие «хороших» сигналов на выходе канала.

В традиционной схеме с опорным приемником «хорошим» считается сигнал с открытой глазковой диаграммой. При использовании эталонного EDC-приемника полностью закрытый глаз диаграммы может оцениваться как «хороший» сигнал, поскольку метод EDC-компенсации позволяет открыть глаз.

Схема EDC-компенсации (см. рис. 1) состоит из эквалайзера с прямой связью (FFE) и эквалайзера с распределенной обратной связью (DFE).

Рис. 1. EDC-архитектура

FFE-эквалайзер представляет собой линию задержки с ответвлениями. Весовой коэффициент для каждой точки ответвления (wfn на рисунке 1, где n — номер отвода) определяет, усиливается или ослабляется в ней сигнал. Каждое ответвление вносит свой вклад на суммирующем узле. Интенсивность входящего потока определяется отношением S/T, где T — интервал побитовой передачи, а S — целое число, равное количеству единичных интервалов задержки перед выходом блока FFE. В стандартных приложениях S = 2. Задержка в линии определяется отношением T/S между каждым ответвлением. Скорость передачи данных блока FFE составляет 1/T.

DFE-фильтр также представляет собой линию задержки с ответвлениями, на вход которого поступают символы с восстановленной тактовой синхронизацией с суммирующего узла FFE. Задержка между каждым ответвлением равна T, в отличие от T/S в FFE-эквалайзере. Ответвления обратной связи также имеют весовые коэффициенты (wbn на рисунке 1, где n — номер ответвления).

FFE-структура компенсирует межсимвольную интерференцию, но, как правило, в процессе этого увеличивает шум. Напротив, фильтр обратной связи позволяет нейтрализовать взаимовлияние символов, сводя к минимуму усиление шума. Выходной сигнал от блоков FFE и DFE поступает в канал рассогласования, который использует алгоритм оптимизации весовых коэффициентов каждого ответвления. Известно множество методов адаптации, например алгоритм минимальной среднеквадратичной ошибки, принцип обнуления и т.д. С помощью этой оптимизации весовых коэффициентов ответвлений настраивается частотная характеристика фильтра.

В самых последних стандартах определены усовершенствованные эквалайзеры. В стандарте IEEE802.3ap в состав схемы 10GBASE-KR изначально входили 1-точечный FFE-эквалайзер и 5-точечный DFE-эквалайзер, или т.н. 1,5 эквалайзер. В стандарте IEEE802.3aq в схеме 10GBASE-LRM использовался эквалайзер 14,5. К настоящему времени схема LRM считается самым мощным эквалайзером, стандартизованным для сетей 10Gb Ethernet.

Усовершенствованный 3-точечный КИХ-передатчик

В варианте 10GBASE-KR стандарта IEEE802.3ap в разделе 72.7.1.10 описан 3-точечный передатчик с конечной импульсной характеристикой (КИХ). Эта схема вносит задержку для каждого отвода на 1UI (единичный интервал). Таким образом, в каждой точке сигнал усиливается или ослабляется. Далее сигналы с трех точек суммируются.

Назначение этой архитектуры заключается в коррекции искажений как с использованием предыдущей, так и последующей точек.

Модернизированный кабель

Усовершенствование коснулось не только метода коррекции хост-микросхем — недавно были также модернизированы медные кабельные узлы. В приложении Е стандарта SFF8431 SFP+ определена кабельная линия с эквалайзером 10GBASE-LRM.

Эта спецификация побудила многих поставщиков кабелей доработать печатные платы и оконечные устройства для совместимости по таким параметрам как отношение VMA к коэффициенту перекрестных помех и dWDP (амплитудное искажение), определенным в SFP+ стандарта SFF8431.

Был также улучшен показатель вносимых потерь на единицу длины. У старых кабелей этот показатель составляет 2,1 дБ/м при 5 ГГц. У модернизированных кабелей вносимые потери равны 1,7 дБ/м. У стандартного 20-м кабеля, рассматриваемого в этой статье, потери на частоте Найквиста составили 43 дБ, а у модернизированного кабеля — 35,5 дБ.

Исходя из того, что на одну кабельную муфту потери равны 1 дБ, потери на стандартном кабеле составляют 2,05 дБ/м, а у модернизированного кабеля на частоте Найквиста — 1,675 дБ/м. Для 20-м кабеля они равны 7,5 дБ на частоте 5 ГГц.

Традиционное экранирование кабеля осуществлялось методом спиральной навивки. В результате возникала паразитная емкость, выступавшая в качестве НЧ-фильтра, что способствовало увеличению вносимых потерь на частоте около 7 ГГц. Для более коротких кабелей эта проблема не была слишком значительной. Напротив, для кабелей длиной 20 м или кабелей, обеспечивающих высокие скорости передачи данных, это серьезное препятствие, для преодоления которого был задействован метод однородного экранирования, напоминающий сворачивание сигареты. Благодаря этому была устранена паразитная емкость, и потери снизились на 7 ГГц.

Еще одним инновационным решением стало применение двух методов пассивной коррекции в кабельных сборках: создание пассивных узлов или использование в кабеле других проводящих материалов для коррекции сигнала с помощью скин-эффекта. Второй метод позволяет ослабить низкочастотные составляющие, уменьшив, таким образом, искажение сигнала на выходе кабеля.

Кабельные узлы были модернизированы в последнее время путем развязки от перекрестных помех, благодаря новому методу экранирования кабеля и коррекции искажений. Эти усовершенствования позволили увеличить длину кабеля, используемого в сетях Ethernet 10 10Gb.

Бюджеты линии связи

Создавая систему с медным кабелем, следует учитывать требования по напряжению и искажениям.

Бюджет напряжения ограничен чувствительностью приемника на дальнем конце линии связи и выходным сигналом передатчика с коррекцией предыскажений на ближнем (передающем) конце. Стандарты SFP+ (SFF8431) и FC-PI-4 (для оптоволоконного канала) устанавливают проверку этого бюджета с помощью амплитудной модуляции (Voltage Modulation Amplitude, VMA), которая определяется как амплитуда сигнала, использующего комбинацию чередующихся 8 нулей и 8 единиц.

По существу, это НЧ-амплитуда. Данные стандарты определяют минимальную величину НЧ-амплитуды сигнала, поступающего на EDC-приемник, при соблюдении требований к его минимальной чувствительности.

Во временной области предъявляются требования к искажениям. Для их уменьшения до минимального уровня выполняется коррекция путем их сложения с инвертированными искажениями. Эта коррекция позволяет существенно уменьшить низкочастотную амплитуду напряжения, сведя к минимуму искажения. Если соблюдены заданные параметры обоих бюджетов, поступающий на решающую схему скорректированный сигнал не содержит ошибок.

Лабораторные испытания

В лаборатории использовался генератор тестовых последовательностей 10G BERTScope со стандартной последовательностью PRBS31 и скоростью 10,3125 Гбит/с. К выходному передатчику 10GBASE-KR был добавлен модуль DPP генератора BERTScope, благодаря которому использовался либо хост-передатчик (см. рис. 3), либо DPP-передатчик (см. рис. 4).

Рис. 4. Блок-схема лабораторной установки с DPP-передатчиком 10GBASE-KR нестандартного сигнала большой амплитуды 1400 мВpp

Выходной сигнал генератора тестовых последовательностей поступал на хост-передатчик VSC824X через согласованную пару кабелей SMA, который, в свою очередь, подключался к плате совместимости с хостом SFP+ через другую согласованную пару кабелей SMA. Связь между платами совместимости осуществлялась с помощью медных кабелей.

Рис. 3. Блок-схема лабораторной установки с передатчиком 10GBASE KR

Со стороны приемника была установлена еще одна плата совместимости с хостом, которая была подключена к EDC-приемнику VSC824X. Выходной сигнал хоста поступал на детектор ошибок прибора BERTScope, измеряющий BER. В эксперименте исследовались сигналы передатчика с размахом дифференциального напряжения 1000 и 1400 мВ. Сигнал с размахом 1000 мВ использовалось в обоих случаях (см. рис 3 и 4).

Выходной сигнал с амплитудой 1400 мВ использовался только в случае с DPP-модулем генератора BERTScope (см. рис. 4). Это нестандартный выходной сигнал для KR использовался для изучения требований по искажениям независимо от бюджета напряжения.

Рис. 4. Блок-схема лабораторной установки с DPP-передатчиком 10GBASE-KR нестандартного сигнала большой амплитуды 1400 мВpp

Средняя точка 3-точечного передатчика была установлена на максимум, предшествующая — на фиксированное значение коррекции –11,7 дБ, а значения коррекции последующей точки менялись в соответствии с указанными в сводных таблицах 1 и 2.

На рисунках 5 и 6 показаны осциллограмма сигнала и глазковая диаграмма, соответственно, на которых представлены параметры коррекции предшествующей и последующей точек передатчика (см. рис. 2) в эксперименте 5 (см. табл. 1 и 2)

Рис. 5. Осциллограмма выходного сигнала передатчика с повторяющейся последовательностью из 8 нулей и 8 единиц с использованием коррекции в предыдущей и последующей точках

Рис. 6. Глазковая диаграмма выходного сигнала передатчика в эксперименте 5

Результаты лабораторных испытаний

В процессе 13-ти проведенных экспериментов измерялись выходной размах напряжения в точке В и частота появления ошибочных битов (BER) в конце линии с помощью детектора ошибок BERTScope (см. рис. 7).

Рис. 7. Точки B и D на блок-схеме лабораторной установки

В таблице 1 представлены результаты испытаний 1—8, в которых измерялся коэффициент BER канала связи с использованием модернизированного и стандартного кабелей при разных весовых коэффициентах последующей точки.

В таблице 2 представлены результаты испытаний 1—5 и 9—13, в которых измерялись параметры только модернизированного 20-м кабеля с амплитудами дифференциального напряжения выходного сигнала передатчика 1000 и 1400 мВ при изменении весовых коэффициентов последующей точки.

Результаты

В испытаниях исследовались параметры двух типов кабелей — стандартного и модернизированного. Стандартный кабель — типовой кабель, применяемый в сетях 1GbE, 2G Fibre Channel и 4G Fibre Channel; вносимые потери — около 2,1 дБ/м, экранирование спиральное. Модернизированный кабель соответствует новейшим стандартам; вносимые потери — 1,7 дБ/м, экранирование методом свертки.

Как и ожидалось, рабочие характеристики модернизированного кабеля лучше, чем у кабеля со спиральным экранированием. Интенсивность ошибочных битов у 20-м модернизированного кабеля оказалась нулевой в испытаниях 3—5 и 9—13.

Выводы

Совместное функционирование хост-микросхем и кабелей, созданных с помощью новых технологий, позволило увеличить длину 10-Гбит/с канала связи. Оптимальное сочетание хост-передатчика, пассивного медного кабеля и усовершенствованного приемника с эквалайзером стало основой создания передатчика 10GBASE-KR, EDC-приемника 10GBASE-LRM и модернизированного кабельного узла. В результате коэффициент BER 20-м медного кабеля оказался менее 8,08∙10–14. Наблюдавшийся запас, по крайней мере, в 10 дБ в бюджете искажений позволил снизить амплитуду низкочастотной составляющей (бюджет напряжения).

Литература

1. www.eetimes.com/design/embedded/4204490/Some-history-of-copper-cable-link-assemblies.