Oikeat kaapelikokoonpanot varmistavat signaalin eheyden huippunopeassa tiedonsiirrossa

Sähköiset järjestelmäarkkitehtuurit tarvitsevat jatkuvasti korkeampia tiedonsiirtonopeuksia ja korkeamman tason modulaatiotoimintoja kompaktimmissa koossa. Tämä monimutkaistaa piirilevyjen layout-suunnittelua, koska suunnittelijoiden pitää minimoida siirtojohdinten häviöt sekä herkkyys kohinalle, heijastumille ja ylikuulumiselle, jotta signaalin eheys voidaan säilyttää ja bittivirhemäärä (Bit Error Rate, BER) jää alle enimmäistason. Lisäksi integroitujen piirien välisten ja korttien välisten monikaistaisten sähköisten ja optisten signaalien vääristymät pitää minimoida, erityisesti kun käytetään differentiaalisignaalipareja.

Yksi tapa täyttää nämä tarpeet käyttämättä kalliimpia korttimateriaaleja on käyttää piirilevyjohdinten sijaan huippunopeita kaapelikokoonpanoja. Nämä kokoonpanot käyttävät epäsymmetrisiä tai differentiaalisia kokoonpanoja, edistyneitä materiaaleja ja signaalin eheyttä parantavia tekniikoita. Ne tukevat korkean tiheyden monikaistaisia kuparisia ja optisia signaalipolkuja. Joidenkin toteutusten kapasiteetti on jopa 64 gigabittiä sekunnissa (Gbps).

Tässä artikkelissa tutustutaan siihen, miksi suurempia nopeuksia tarvitaan ja kuinka ne voidaan toteuttaa. Sitten artikkelissa esitellään Samtecin huippunopeita kaapelikokoonpanoja sekä niiden ominaisuuksia ja käyttöä.

Vauhtihuumaa

Maailma janoaa entistä nopeampaa tiedonsiirtoa. Esimerkiksi 5G- ja 6G-matkapuhelinverkot, tekoäly (Artificial Intelligence, AI), kvanttitietokoneet ja Big Data -sovellukset edistävät uusien järjestelmäarkkitehtuurien kehitystä, kaistanleveyden ja tiedonsiirtonopeuksien kasvua sekä laitteiden ja järjestelmien kutistumista. Nämä kehittyvät teknologiat tarvitsevat korkeaa signaalien eheyttä tukevat liitännät, joissa signaali-kohinasuhde (Signal-to-Noise Ratio, SNR) pysyy hyvänä silloinkin, kun kohina, ylikuuluminen, heijastumat, sähkömagneettiset häiriöt sekä muut häviöt ja häiriöt heikentävät signaalin laatua.

Suuremmat nopeudet vaativat liitäntätekniikoiden muutoksia. Ensinnäkin epäsymmetristä signaalin lähetystä, missä tiedonsiirtoon käytetään yhtä johdinta ja paluulinjaa (jota kutsutaan usein ”maaksi”), ollaan korvaamassa differentiaalisilla signaalikytkennöillä, joissa signaaleja kuljetetaan kahdella johtimella 180 asteen vaihe-erolla. Differentiaalisignalointi parantaa signaali-kohinasuhdetta vaimentamalla johdinten yhteistä kohinaa (yhteismuotoinen kohina). Toiseksi tietojen koodaus on siirtymässä yhden kellojaksobitin Non-Return to Zero (NRZ) -koodauksesta useiden bittien lähetykseen per kellojakso esimerkiksi nelitasoisella pulssiamplitudimodulaatiolla (PAM4), missä kellojaksoa kohden koodataan neljä erillistä tasoa tai kaksi bittiä (kuva 1).

Kuva 1: NRZ-tiedonsiirron silmädiagrammissa (oikealla) näkyy kaksi mahdollista tilaa per kellojakso: 1 ja 0. PAM4 (vasemmalla) tarjoaa neljä mahdollista tilaa per kellojakso: 00, 01, 10 ja 11. (Kuvan lähde: Art Pini)

PAM4 pakkaa kaksi tietobittiä kuhunkin kellojaksoon neljällä eri koodaustasolla: 00, 01, 10 ja 11. Tämä kaksinkertaistaa tiedonsiirtonopeuden samalla kellotaajuudella, mutta laskee signaali-kohinasuhdetta eri bittitilojen pienempien amplitudierojen vuoksi. PAM4-tiedonsiirto siis vaatii korkeamman tietojen eheystason.

Siirtolinjan suorituskyvyn tarkastelu

Käytetäänpä siirtolinjana sitten piirilevyä tai kaapelia, taajuusalueen suorituskykyä kuvaillaan usein sirontaparametreilla (s-parametrit). Sirontaparametreilla kuvaillaan laitteen ominaisuuksia tuloissa ja lähdöissä esiintyvien sähköisten ilmiöiden perusteella ilman tietoa laitteen sisäisistä komponenteista. Kaksiporttisten laitteiden, kuten kaapeleiden, kuvailuun käytetään useita sirontaparametreihin perustuvia laatutekijöitä (FoM). Käytetyimmät laatutekijät:

• Kytkentähäviö: signaalin vaimeneminen kaapelin tulon ja lähdön välillä, ilmaistaan desibeleinä (dB) (siirtolinjan ihanteellinen kytkentähäviö on 0 dB).
• Heijastushäviö: lähdön impedanssieroista johtuvien heijastumien aiheuttamat häviöt (desibeleinä).
• Ylikuuluminen: läheisistä johdoista siirtolinjaan kytkeytyvien ei-haluttujen signaalien mittari (desibeleinä).

Muita keskeisiä laatutekijöitä ovat siirtolinjan etenemisviive ja aikavääristymä. Etenemisviive merkitsee aikaviivettä signaalin kulkiessa siirtolinjan läpi. Aikavääristymä merkitsee yhdessä tai useammassa siirtolinjassa kulkevien signaalien välistä aikaeroa.

Siirtolinjavaihtoehdot

Modernien tiedonsiirtostandardien korkeataajuuksisten ja monikaistaisten konfiguraatioiden laatutekijävaatimusten täyttäminen kustannustehokkaasti on haasteellista käytettäessä perinteisiä piirilevymateriaaleja. Tämän ongelman ratkaisemiseksi Samtec Inc. on kehittänyt huippunopeita mikro- ja kaksoiskoaksiaalimuotoisia kaapelikokoonpanoja. Ne pohjautuvat yrityksen omaan Eye Speed -teknologiaan, jonka huomattavia hyötyjä ovat matalat häviöt ja erinomainen signaalin eheys. Näistä kaapeleista voidaan muodostaa rinnakkaisia kaapelikokoonpanoja, joissa niiden erityinen rakenne mahdollistaa paremman suorituskyvyn (kuva 2).

Kuva 2: Eye Speed -kaapeleissa yhdistyvät matalat häviöt ja korkea signaalin eheys. Kuvassa esitellään mikrokoaksiaali- (vasen) ja kaksoiskoaksiaalirakenteita (oikea). (Kuvan lähde: Samtec)

Eye Speed -koaksiaalikaapeleita on saatavilla 26–28 AWG:n (American Wire Gauge) keskitetyillä johtimilla. Tämä koaksiaalikaapelirakenne mahdollistaa korkean joustavuuden sekä pienen painon ja koon, minkä ansiosta ne sopivat pitkille etäisyyksille.

Eristemateriaali on valmistettu pursottamalla matalan eristevakion ilmavaahdotetusta fluoratusta etyleenipropyleenistä (FEP). Vaahdotus luo ilmakuplia, mikä parantaa signaalin nopeutta. Kaapelituoteperhe on saatavilla metallisella spiraalisella, teippimuotoisella tai punotulla vaipalla signaalin eheyden parantamiseksi.

Eye Speed -kaksoiskoaksiaalikaapelissa käytetään 28–36 AWG:n hopeapinnoitettuja kuparijohtimia. Paksummat johdot pienentävät kytkentähäviöitä, ohuemmat taas tarjoavat paremman joustavuuden. Eristemateriaalin monikerroksinen pursotus parantaa signaalin eheyttä ja kaistanleveyttä, joka voi olla jopa 28–112 Gbps. Kompakti rakenne mahdollistaa signaalijohdinten vahvan kytkennän ja pienemmät välykset kaapelikokoonpanon sisällä. Eye Speed -kaksoiskoaksiaalikaapelin kytkentähäviö 0,25 metrin matkalla 14 gigahertsin (GHz) kellotaajuudella (56 Gbps PAM4) on johtimen läpimitasta riippuen −1 … −2,2 dB. Kaksoiskoaksiaalikaapelin johdinten välinen aikavääristymä on alle 3,5 pikosekuntia (ps) per metri. Kumpikin kaapelityyppi tukee Samtecin Flyover-teknologiaa.

Mitä Flyover-teknologia merkitsee?

Samtecin Flyover-teknologiassa piirilevyn väylärakenteet on korvattu korkean kaistanleveyden ja matalan häviön Eye Speed -kaapelikokoonpanoilla, mikä vähentää häviöitä merkittävästi (kuva 3).

Kuva 3: Eye Speed -kaapeleita hyödyntävä Flyover-teknologia tarjoaa matalan tai ultramatalan häviön taustamateriaaleihin verrattuna huomattavasti pienemmät häviöt sekä 14 tai 28 GHz:n kellotaajuudet. (Kuvan lähde: Samtec)

Koska Flyover-teknologia tarvitsee vähemmän piirilevykerroksia, sen avulla voidaan yksinkertaistaa piirilevyn layoutia yli 28 Gbps:n tiedonsiirtonopeuksilla. Se mahdollistaa myös edullisempien piirilevymateriaalien käyttämisen.

Samtec-kaapelikokoonpanot

Saatavilla on laaja valikoima Eye Speed -mikrokoaksiaalia ja -kaksoiskoaksiaalia käyttäviä kaapelikokoonpanoja. Niitä on saatavilla korkean tiheyden ryhminä, ja ominaisuustarjontaan kuuluvat muun muassa maatasot, kaksineuvoiset liittimet, vedonpoisto sekä erilaiset liitäntä- ja salpavaihtoehdot.

Esimerkiksi ARC6-16-06.0-LU-LD-2-1 on ohut suoraan liitettävä 16 signaaliparin kaapelikokoonpano, jonka kummassakin päässä on urosliittimet. Sen pituus on 152,4 mm ja se tukee 64 Gbps:n PAM4-signalointia (kuva 4).

Kuva 4: ARC6-16-06.0-LU-LD-2-1 on suoraan liitettävä 16 differentiaalisignaaliparin kaapelikokoonpano, joka tukee 64 Gbps:n PAM4-signalointia. (Kuvan lähde: Samtec)

Tämä kokoonpano käyttää 16 erittäin pienen vääristymän kaksoiskoaksiaalikaapelia tiheässä kahden rivin rakenteessa, joka on jaettu 32 koskettimeen 0,635 mm:n välein. Koskettimet on juotettu suoraan kaksoiskoaksiaalijohtimiin signaalin eheyden maksimoimiseksi. Kaapeleiden differentiaali on 100 ohmia (Ω) ja johdinten paksuus 34 AWG. Ne ovat saatavilla 8 ja 24 parin konfiguraatioina. Niiden toimintalämpötila-alue on −40 ... +125 °C.

ERCD-020-12-00-TEU-TED-1-B on korttien reunojen välille kytkettävä kaapelikokoonpano, jonka kaksi kaapeliriviä koostuvat 20 epäsymmetrisestä 50 Ω:n koaksiaalikaapelista ja siinä käytetään 40 koskettimen liittimiä (kuva 5). Kaapelin pituus on 305 mm.

Kuva 5: ERCD-020-12-00-TEU-TED-1-B-kaapelinkokoonpanossa käytetään epäsymmetristä koaksiaalikaapelia 34 AWG:n keskijohtimella. Kosketinten väli on 0,80 mm. (Kuvan lähde: Samtec)

Koaksiaalilinjojen 34 AWG:n keskijohtimet on järjestelty nauhakaapeliksi. Liitinten nastajako on 0,80 mm. Nämä kaapelit on luokiteltu 14 Gbps:n signaaleille. Liittimissä on yhteen puristettava salpamekanismi, joka varmistaa liitännän. Kokoonpano on haluttaessa saatavilla 10–60 kaapelin riveillä ja erilaisilla salpamekanismeilla. Niiden kaikkien toimintalämpötila-alue on −25 ... +105 °C.

HLCD-20-40-00-TR-TR-2-kaapelikokoonpanon kaksi kymmenen kaapelin riviä koostuvat 50 Ω:n epäsymmetrisistä 1,02 m:n kaapeleista. Siinä on 40 kosketinta 0,5 mm:n välein (kuva 6).

Kuva 6: HLCD-20-40.00-TR-TR-2-kaapelikokoonpanossa käytetään itsekytkeytyviä kaksineuvoisia liittimiä. (Kuvan lähde: Samtec)

Kaksineuvoisissa liittimissä on nastat ja kannat, joiden avulla samanlaiset liittimet voidaan kytkeä toisiinsa. Niitä käytetään sovelluksissa, joissa ei tarvita kosketinten polarisaatiota, kuten kaksisuuntaiset dataparit.

HLCD-20-40.00-TR-TR-2 on saatavilla tavanomaisella tai laajennetulla käyttölämpötila-alueella: −25 … +105°C tai −40 … +125°C.

HQDP-020-12-00-TTL-TEU-5-B-kaapelikokoonpanossa käytetään kahta 100 Ω:n ja 30 AWG:n kaksoiskoaksiaalikaapeliriviä. Tässä 305 mm:n kokoonpanossa on 20 kaapelia ja sen urosliitin on tarkoitettu kytkettäväksi kortin reunaan. Sillä on 14 Gbps:n luokitus (kuva 7).

Kuva 7: HQDP-020-12-00-TTL-TEU-5-B-kokoonpanossa on kortin reunaan kytkettävä urosliitin ja kaksi riviä 100 Ω:n kaksoiskoaksiaalikaapeleita. (Kuvan lähde: Samtec)

Tähän tuoteperheeseen kuuluu 20, 40 ja 60 kaapelin kokoonpanoja sekä erilaisia pintaliitosliittimiä ja reunaan kytkettäviä liittimiä. Niiden nastajako on 0,5 mm.

Yhteenveto

Korkeammat tiedonsiirtonopeudet vaativat suunnittelijoilta entistä innovatiivisempia tapoja varmistaa signaalin eheys. Samtecin tuotteilla voidaan vapautua perinteisten monikaistaisten piirilevyjen signalointiväylien rajoituksista sekä hyödyntää erilaisia huipputehokkaita joustavia ja kustannustehokkaita kaapelikokoonpanoja, jotka täyttävät tai ylittävät nykypäivän tiedonsiirtosovellusten tekniset vaatimukset.