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MicroTCA Optimiertes Backplane-Design

| Autor / Redakteur: Oliver Schroth* / Kristin Rinortner

Beim Backplane-Design muss das Komplettpaket Steckverbinder – Leiterplatte optimal aufeinander abgestimmt werden. Durch umfangreiche Versuche und Simulationen zum Signalverhalten auf dem Übertragungsweg lässt sich die Layoutstrategie für MicroTCA-Backplanes optimieren.

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( Archiv: Vogel Business Media )

Echtzeitanwendungen setzen eine leistungsfähige Infrastruktur für die Datenkommunikation voraus. Diese muss sich vor allem durch große Übertragungsbandbreiten bei geringst möglichen Verzögerungszeiten und durch minimales Verlustrisiko auszeichnen. Hohe Datentransferraten werden vor allem von den modernen Telekommunikationsanwendungen gefordert. Zunehmend dehnt sich dieser Bereich in Richtung anspruchsvoller Multimediaanwendungen sowie auf komplexe industrielle Einsatzfelder aus, die beispielsweise in der Maschinen-, Prozess- und Verfahrenssteuerung zu finden sind.

Vor allem der MicroTCA-Standard hat mit seiner hohen Modularität daran entscheidenden Anteil. Dabei ist die Signalintegrität sehr wichtig. Zum Beispiel sindfür 3-GHz-Systeme Betrachtungen anzustellen, die das Signalverhalten bis zu 15 GHz berücksichtigen.

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Der Beitrag soll die „natürlichen Feinde“ der Signalintegrität benennen und Anwender für diesen Sachverhalt sensibilisieren. Über Qualität, Stör- und Ausfallsicherheit der Applikation entscheidet letztendlich die gesamte Informationskette, die auch die Peripherie mit einschließt.

Serielle Datenübertragung

Ausgangspunkt dieser Betrachtungen ist die serielle Datenübertragung. Schon früh haben die Standardisierungskomitees bei PICMG und VITA erkannt, dass man sich für Highspeed-Anwendungen von den klassischen Busstrukturen verabschieden und auf Point-to-Point-Verbindungen mit differenziellen Leitungspaaren umsteigen muss. Um zu verhindern, dass sich auf den seriell übertragenen Datenpaketen lange Folgen von Nullen oder Einsen bilden, welche die Taktgenerierung und Datenregenerierung erschweren, hat sich für derartige Anwendungen die 8B/10B-Codierung durchgesetzt. Dabei werden die 8-Bit-Wörter auf 10-Bit-Wörtern abgebildet, um die gewünschten Vorteile des häufigen Null-Eins-Wechsels zu nutzen.

Bei 8-Bit-Wörtern ergeben sich 256 (28) Bitkombinationen, bei einer 10-Bit-Folge 1024. Bei der 8B/10B-Codierung nutzt man für die Darstellung der 8-Bit-Worte nur die Bitkombinationen, die viele Pegelwechsel aufweisen. Das sind solche, die maximal fünf aufeinander folgende Nullen oder fünf aufeinander folgende Einsen enthalten. Dadurch kann aus dem codierten Signal, das hinreichend viele Pegelwechsel aufweist, das für die Synchronisation benötigte Taktsignal sicher abgeleitet werden. Wegen dieser Vorteile kommt die 8B/10B-Codierung im Gigabit Ethernet, im 10-Gigabit-Ethernet, bei Fibre-Channel, StarFabric sowie bei den ATM-Übertragungsschnittstellen (Asynchronous Transfer Mode) zum Einsatz.

Datenübertragung bei MicroTCA

Als Variante des Standards AdvancedTCA bietet MicroTCA die Möglichkeit, Daten per Gigabit Ethernet, PCI-Express, Serial Rapid I/O, Serial Attached SCSI oder Advanced Switching zu übertragen. Dabei stellt sich zunächst die Frage, warum hier die Signalintegrität kritisch ist. Schließlich handelt es sich um eine XAUI-Übertragung mittels eines NRZ-Signals mit einer Datenrate von „nur“ 3125 Gbps (XAUI = X Attachment Unit Interface, Schnittstelle, die beim 10-Gigabit-Ethernet verwendet wird; NRZ – Non-Return-to-Zero-Signal, das nicht in regelmäßigen Intervallen auf Nullpotenzial zurückfällt).

Die Flankensteilheit der Signale bestimmt jedoch die Bandbreite. Bei einer Basisfrequenz von 3,125 GHz muss also die Signalintegrität für eine Bandbreite von min. 15,625 GHz gewährleistet sein. Das liegt an den hochfrequenten und pegelschwachen Oberwellen, speziell der 5. harmonischen Schwingung der Fourieranalyse.

Bei MicroTCA sind als kleinste modulare Funktionsgruppen die Advanced Mezzanine Cards (AMC) definiert. Diese Technologie nutzt aus Kostengründen die Kontaktierung über Stecker auf der Backplane und Goldpads direkt auf der AMC-Steckkarte. Durch deren kleine mechanische Bauform müssen auf einer Breite von 73,5 mm 170 Kontakte über diese Steckverbinder geführt werden. Um die Leistungsfähigkeit unterschiedlicher Leiterbahngeometrien zu untersuchen, führte Elma Trenew grundlegende messtechnische Untersuchungen durch. Dazu wurde eine MicroTCA-Testbackplane mit entsprechend hochwertigen Testkarten entwickelt. An dieser wurden in ausführlichen Messreihen mittels TDR (Time-Domain-Reflectometer) und VNA (Vector Netzwerk Analysator) die physikalischen Eigenschaften gemessen und deren Einfluss auf die Signalintegrität abgeleitet.

Größter Widersacher der Signalintegrität: der ISI-Effekt

Aus den Messungen ergab sich, dass der Inter-Symbol-Interference-Effekt (ISI) die Signalintegrität maßgeblich beeinflusst. Dieser beschreibt, wie impulsförmige Signale durch Dispersion, Skineffekt, dielektrische Verluste und Reflektionen im Vergleich zum Ausgangssignal verbreitert werden. Darüber hinaus tragen die induktiven Stub-Effekte (bei THT-Steckverbindern) oder die Knocheneffekte von bis zu 1,2 nH, die bei der Anbindung vom SMT-Steckverbindern an die Innenlagen der Backplane auftreten, zum ISI-Effekt bei. Da die Impulse durch die Inter Symbol Interference über mehrere Perioden hinweg verbreitert werden können, begrenzt dieser Effekt die tatsächlich nutzbare Übertragungsbandbreite.

Jede Kupferleiterbahn weist – je nach Layout-Geometrie, dielektrischer Isolation und Frequenz – unterschiedliche Leitungskapazitäten und -induktivitäten auf. Dadurch werden impulsförmige Signale verbreitert. Diese Verbreiterung ist umso größer, je länger die Übertragungsleitung physikalisch ist. Dies führt für jeden einzelnen Leiter zu entsprechend unterschiedlichen Ausbreitungsgeschwindigkeiten und damit zu Laufzeitverzerrungen, die im Augendiagramm als Jitter sichtbar werden.

Bei Leitungspaaren müssen diese auf wenige Picosekunden genau aufeinander abgestimmt werden (entsprechend weniger als 1 mm physikalischer Weg). Besonders breitbandige Signale werden durch die richtige Wahl des vorgesehenen Basismaterials und durch eine kluge Layoutstrategie optimiert. Dies erfolgt oft in mehreren, iterativen Schritten, da sich die einzelnen Parameter gegenseitig beeinflussen. Die Erfahrung des Backplaneentwicklers hilft dabei, einen sorgfältig gewählten Kompromiss zu finden, bei dem alle Einflussfaktoren gegeneinander abgewogen und in der Summe minimiert werden.

Die Datenübertragung findet im „Feld“ statt

Mit steigender Frequenz sinkt der Einfluss des ohmschen Widerstands eines elektrischen Leiters, während die Effekte, die sich im elektromagnetischen Feld abspielen, dominanter werden. So bewiesen im vorliegenden Fall die Messungen, dass die Datenübertragung nicht im Leiter, sondern überwiegend außerhalb stattfindet. Deswegen müssen nicht nur die Leiterbahn und die Steckverbinderkontakte, sondern das elektromagnetische Feld, in dem sich die Datenübertragung als Ganzes abspielt, betrachtet werden. Die Einflussgrößen Dispersion, Skineffekt, dielektrische Verluste, Stub- und Knocheneffekt schwächt man mittels entsprechender Steckverbinder- und Layoutgeometrien ab und beeinflusst damit die Signalintegrität positiv. Dies erfolgt immer mit Blick auf wirtschaftliche Lösungen unter Verwenden möglichst günstiger Basismaterialien.

Weitere Störfaktoren: NEXT und FEXT

Neben den oben beschriebenen Punkten beeinflusst das Übersprechen zwischen den differenziellen Paaren die Signalintegrität. Ideal wäre, wenn benachbarte Paare weitest möglich (im physikalischen Sinn) voneinander getrennt und zudem durch Groundplanes geschirmt werden. Dann könnten nur wenige „Aggressoren“ auf das einzelne Paar einwirken. Dagegen spricht in der Praxis die hohe Lagenzahl der Leiterplatte, die dafür erforderlich wäre – und die damit verbundenen hohen Kosten sowie die Fertigungsproblematik. Zudem gewinnt mit der Dicke der Leiterplatte der Stub-Effekt an Bedeutung.

Wie die Versuche ebenfalls zeigten, wird in der Backplane das Signal maßgeblich durch Dämpfungen und Verluste verfälscht. X-Talk (Cross Talk, Nebensprechen) dominiert dagegen im Steckverbinder. Aus diesem Grund ist auch der relevante Parameter bei den Cross-Talk-Messungen der NEXT (Near Ended Crosstalk). Der FEXT (Far Ended Crosstalk) profitiert kurioserweise von der Dämpfung in der Leiterplatte und lässt sich vernachlässigen.

Die praktische Bedeutung

Durch umfassende Versuche zum Signalverhalten auf dem Übertragungsweg gelang es, die Layoutstrategie für MicroTCA-Backplanes zu optimieren. Dadurch lassen sich in der Leiterplatte Lagen einsparen und trotzdem die Cross-Talk-Grenzwerte nach der MicroTCA-Spezifikation in allen Punkten mindestens erfüllen oder unterschreiten. (So hat ELMA beispielsweise über eine seiner AdvancedTCA-Backplanes zusammen mit Partner Enigma bereits Signale bei 6,25 GBit übertragen. Eine weitaus höhere Datentransferrate ist realistisch.)

Die gemessenen S-Parameter dienen nicht nur der einmaligen Bestimmung der wirtschaftlich und technisch optimalen Layoutstrategie. Mithilfe der Messdaten-Aufbereitungssoftware lassen sich die gemessenen S-Parameter als SPICE-Modell exportieren bzw. auf dem an das Messgerät angeschlossenen Rechner sofort in eine HSPICE-Simulation einbinden.

In Simulationsmodelle implementiert kann zukünftig schon vor Layoutbeginn das Komplettpaket Steckverbinder plus Leiterplatte in HSPICE-Simulationen hinsichtlich Signalintegrität untersucht werden.

Lauffähiges MicroTCA-Shelf

Mit blu:box bietet ELMA Trenew ein komplettes, lauffähiges MicroTCA-Shelf für Formfaktorkontrollen und Kartentests. Das vollständig verkleidete 19“-Subrack hat eine Höhe von 5HE und eine Tiefe von 200 mm. Das geprüfte Grundsystem ist vollständig redundant durch 2 x MCH (MicroTCA Carrier Hub), zwei Power Module für –48 V/–60 V und zwei Kühleinheiten. Verwendet werden darin Hochleistungslüfter mit PWM-gesteuerter Drehzahl.

Im Shelf lassen sich bis zu 20 Temperatursensoren platzieren. Ausbaubar ist das System mit max. 12 AMC, wovon 8 x Full- und 4 x Half-Height sein können. Alle Komponenten sind Hotswap fähig und werden über IPMI gesteuert. Die Backplane ist 20-lagig aufgebaut und gewährleistet eine optimale Signalintegrität. Alle FRU-Funktionen (Field Replaceable Unit) werden durch sie unterstützt. Das High-Speed-Routing erfolgt über die Dual-Star-Technologie; die verwendeten FCI-Steckverbindungen wurden speziell für den Hochgeschwindigkeits-Datentransfer entwickelt. Sie lassen sich für Telekom- oder Nicht-Telekom-Applikationen modifizieren.

*Oliver Schroth ist staatlich geprüfter Elektrotechniker mit Spezialisierung Datentechnik. Er ist bei ELMA Trenew Electronic in Pforzheim als R&D Engineer tätig.

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