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Hochgeschwindigkeits-Datenübertragung Schnelle Signale zwischen Kabel und Backplane entzerren und verstärken

| Autor / Redakteur: Vince Stueve* / Andreas Mühlbauer

Bei der schnellen Datenübertragung stoßen Entwickler auf ähnliche Probleme, unabhängig davon, ob sie die Signale per Kupfer- oder Glasfaserkabel übertragen. Dieser Beitrag untersucht den Schaltungsaufbau in einem faseroptischen Modul und zeigt auf, wie sich einige dieser Schaltungen für Hochgeschwindigkeits-Kabelverbindungen und Backplanes einsetzen lassen.

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( Archiv: Vogel Business Media )

Die Methode der Wahl, um schnelle Signale in modernen Netzwerken, in der Telekommunikation und in industriellen Systemen zu übertragen, besteht im gemeinsamen Einsatz von Glasfasermodulen und -kabeln. Entwicklungsingenieure setzen immer häufiger Verbindungskabel aus Kupfer sowie Backplanes ein, die mit außerordentlich hohen Geschwindigkeiten arbeiten. Wenn Übertragungsraten von einigen GBit/s und mehr erreicht werden oder eine Entfernung von fünf Meter überschritten wird, müssen sich die Designer mit Problemen auseinandersetzen, mit denen sich auch die Entwickler faseroptischer Module konfrontiert sehen.

Bild 1 zeigt den Schaltungsaufbau eines typischen SFP-Moduls. Ein TOSA- (Transmit Optical Sub-Assembly-) Modul überträgt die Signale. Das TOSA wird von einem Laserdiodentreiber-Chip angesteuert, der einen Bias-Strom auf dem TOSA aufrechterhält und die Laserdiode mit Strompulsen ansteuert, um so die Daten als Lichtimpulse zu übertragen. Auf der Empfangsseite befindet sich ein ROSA- (Receive Optical Sub-Assembly) Modul. Das ROSA besteht aus einer PIN-Empfangsdiode und einem Transimpedanzverstärker (TIA). Der TIA wandelt die optischen in elektrische Signale um (Bild 2).

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Frequenzabhängige Amplitudendämpfung in Kupferkabeln

Bei langen optischen Verbindungen oder einer geringen Ausgangsleistung des Lasers entsteht ein kleiner Signalhub am TIA-Ausgang des ROSA. Dem TIA ist ein Nachverstärker (Limiting-Post-Amplifier) nachgeschaltet, der das Signal unabhängig von der Eingangsamplitude auf einen festgelegten Pegel verstärkt. Die Hauptfunktion des Nachverstärkers besteht im Verstärken kleiner Signale mit minimalem Rauschen und in der Bereitstellung standardisierter Logikpegel am Ausgang. Nachverstärker können Differenzsignale, die gerade einmal 5 mVpp stark sind, auf standardmäßige CML- oder LVPECL-Logikpegel anheben. Der dem optischen Modul nachgeschaltete Hochgeschwindigkeits-Serialisierer kann diese verstärkten Eingangssignalpegel dann zuverlässig dekodieren.

Bei der Datenübertragung mit Kupferkabeln findet eine Dämpfung der Signalamplitude statt. Die Größe der Dämpfung hängt vom verwendeten Kabel, der Signalgeschwindigkeit und der Kabellänge ab. Beispiel: Ein RG-174-Koaxialkabel weist eine Dämpfung von 1,3 dB/m bei 1,5 GHz auf. Bei einer Kabellänge von 10 m beträgt die Dämpfung somit 13 dB. Wird ein 400-mVpp-Differenzsignal mit 1,5 MHz über ein 10 m langes RG-174-Kabel übertragen, liegt der Ausgangspegel lediglich bei 90 mVpp.

LVDS-, CML- und LVPECL-Bausteine haben Schwierigkeiten, Signale mit einer Amplitude unter 100 mVpp zu dekodieren. Daher gilt für das gewählte Beispiel mit einem 10 m langen RG-174-Kabel, dass sich die Signale am fernen Verbindungsende nur schwer oder gar nicht dekodieren lassen. Je höher die Frequenz des über das Kabel übertragenen Signals ist, desto geringer ist die nutzbare Kabellänge. Was also als ein 400-mVpp-Differenzsignal beginnt, kann sich bei einer höheren Übertragungsgeschwindigkeit schnell auf weniger als 100 mVpp reduzieren.

Limiting-Post-Amplifier sorgen für nötige Signalstärke

Der Nachverstärker regeneriert das Eingangssignal auf den korrekten CML- oder LVPECL-Pegel, selbst wenn dieses Signal bis auf eine Amplitude von 5 mVpp abgefallen ist. Ein weiterer Vorteil des Nachverstärkers ist der Signalerkennungs- (SD – Signal Detect) oder Signalverlust- (LOS – Loss of Signal) Pins. Dieser meldet zurück, wenn ein Signal verloren geht (LOS) oder ein gültiges Signal empfangen wird (SD). Mit diesem Pin lässt sich ein Spitze-Spitze-Pegel einstellen, bei dem die SD- oder LOS-Meldung stattfindet. Dadurch werden die Diagnosefunktionen eines Hochgeschwindigkeitssystems erweitert.

Bild 3 zeigt das Blockschaltbild eines Nachverstärkers und dessen Funktionen. Backplane-Lösungen über eine Strecke von bis zu einem Meter – einschließlich Steckverbinder und Riser-Karten – können vom Einsatz von Limiting-Post-Amplifiern profitieren. Mithilfe eines Nachverstärkers am Ende einer langen Übertragungsstrecke kann der Systemplaner fehlerhafte Augen übertragener Daten oder des Sendeschritt-Takts effektiv korrigieren. Manchmal liegt jedoch eine beträchtliche Dämpfung des Auges vor, sodass ein besonders rauscharmer Nachverstärker nötig ist, um das Originalsignal wiederherzustellen. Dieser Aspekt gewinnt mit zunehmenden Backplane-Geschwindigkeiten an Bedeutung.

Treiber mit Vorverzerrung und Empfänger mit Entzerrung

Nähert sich die Datenrate 4 bis 6 GBit/s, reicht der Einsatz von Nachverstärkern zur Wiederherstellung des gedämpften Signals möglicherweise nicht mehr aus. In diesem Fall kommen Bausteine mit Vorverzerrung (Pre-Emphasis) zum Einsatz, die es ermöglichen, längere Platinenleiterbahnen anzusteuern. Diese Komponenten verstärken die Anstiegsflanke des Signals, um die Anstiegsgeschwindigkeit zu erhöhen, während der Treiber das Signal über die Backplane schickt. In Bild 4 ist die Funktion eines Treibers mit Vorverzerrung dargestellt. Geräte mit einstellbarem Verstärkungspegel der Anstiegsflanke und einstellbarer Dauer der Verstärkung bieten hohe Flexibilität.

Eine weitere Lösung für den Umgang mit Signalen, die mit hoher Geschwindigkeit oder über eine lange Strecke unterwegs sind, besteht im Einsatz eines empfangsseitigen Entzerrers (Equalizer – EQ). Einen EQ in Verbindung mit dem Empfänger zu verwenden, ist kein neues Konzept – Video- und Hochgeschwindigkeitskommunikationssysteme werden schon seit vielen Jahren aktiv oder passiv entzerrt. Der Entzerrer reduziert Reflexionen und kompensiert Einflüsse des Übertragungsmediums, um den bestmöglichen Empfang der eingehenden Daten zu gewährleisten.

Wenn Vorverzerrung und Entzerrung bei Geschwindigkeiten von über 4 GBit/s gemeinsam auf einer Backplane eingesetzt werden, kann das durchaus dramatische Verbesserungen zur Folge haben. Bild 5 zeigt die Augenmuster, die bei einem 223-1 PRBS-Muster (PRBS – Pseudorandom Binary Sequence) mit 6,4 GBit/s und FR4-Material erfasst wurden. Dabei war die differentielle Leitung einen Meter lang und an jedem Ende mit einem Steckverbinder versehen.

Rekonstruktion eines 6,4 GBit-Signals

Ein Signal ohne jegliche Vorverzerrung oder Entzerrung kann nach einem Meter auf Grund von Streuung, Reflexionen und Fehlanpassung stark verrauscht sein. Mit zusätzlicher Vorverzerrung weist das Signal Anzeichen eines Auges auf, ist aber noch nicht lesbar. Wird jedoch am Empfänger eine Entzerrung angebracht, entsteht ein stabiles Auge für das 6,4 GBit/s-Signal. Diese Experimente zeigen, dass die empfangsseitige Entzerrung in Hochgeschwindigkeitssignalpfaden für lange FR4-Leiterbahnen die beste Lösung ist. Kommen Vorverzerrung und Entzerrung gemeinsam zum Einsatz, lässt sich das insgesamt beste Signal mit den geringstmöglichen Bitfehlerraten erreichen.

Weiterhin wurden Tests an fünf Meter langen Skew-Clear-Kabeln von Amphenol durchgeführt. Die in Bild 6 dargestellten Ergebnisse zeigen, wie Entzerrung allein zur Rekonstruktion eines brauchbaren Auges führen kann. Ein 223-1 PRBS-Muster wurde über das Kabel übertragen und am fernen Verbindungsende gemessen. Das Signal ließ sich mittels EQ rekonstruieren, das beste Ergebnis ergab sich mit ausschließlich empfangsseitiger EQ. Zusätzliche Pre-Emphase half zwar ursprünglich, steigende und fallende Flanken geringfügig zu verbessern, allerdings mit größerem Gesamt-Jitter.

Bei den Bausteinen, die in diesen Experimenten zur Vorverzerrung und Entzerrung dienen, handelt es sich um den SY58626 und SY58627 von Micrel. Mit solchen ICs können Entwickler schon heute die Reichweite ihrer seriellen Hochgeschwindigkeitsverbindungen erweitern. Andauernde Weiterentwicklungen bei Treibern mit Vorverzerrung und Empfängern mit Entzerrung werden zweifellos einen wichtigen Beitrag zur Entwicklung der Hochgeschwindigkeitsverbindungslösungen der nächsten Generation leisten.

Darüber hinaus können Entwickler jetzt faseroptische Transceiver direkt bei Kabeln und Backplanes anwenden. Die Fähigkeit von Nachverstärkern, aus sehr kleinen Signalperioden nutzbare Daten zu regenerieren, ist ein wertvolles Hilfsmittel, das von Ingenieuren berücksichtig werden sollte, wenn sie ihre Designs der nächsten Generation für Netzwerk-, Telekommunikations- und industrielle Systeme entwickeln.

*Vince Stueve ist FAE bei Micrel.

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