用串行RapidIO交换处理高速电路板设计的信号完整性问题
片一样实现低抖动。输出信号的清晰度也不如使用Tundra交换芯片时,使得电路板设计难以容忍上文论述的其他板级信号完整性问题。
可编程传输预加重及接收器均衡
在高速电路板设计中,由于信号经过电路板由芯片传输至芯片或通过背板传输,因而需要考虑信号的衰减。简而言之,实际信号在到达端点时强度会减小,并可能出现相移。通常,在所有媒介中,高频率谐波较低频率谐波衰减的比例更大。仅增强整体信号并不够,因为它会扩大噪音层,并且没有解决相移问题。串行RapidIO交换及端点(像GbE及10GbE等所有其他高速设计一样)利用技术避免该问题并保持原始信号的完整性。
若要了解传输预加重及接收器均衡的影响,可以回顾眼图,其目标是实现"开眼"。若未运用这些技术,眼图会开始"闭合"。
传输预加重技术可将高频加入传输信号,以解决信号衰减及端点间相移的问题。因此,与简单地放大所有频率(该方法亦会增加交换芯片的整体功耗)不同,传输预加重可通过传输功能有效增强输出波形,增加输出波形的高频量,而同时使用虚拟组件对其进行相移,解决因传输媒介引致的相移。该方法对于保持信号的完整性及保持眼图相当有效。图2说明利用传输预加重的影响。
图2:传输预加重对眼图的影响。
尽管传输预加重通常在许多高速IC中应用,以优化整体系统级的信号完整性,但"传输端"的传输预加重应与"接收端"的接收器均衡一并使用。接收器均衡运用增强器传输功能,补偿因电路板及背板引起的高频传输损耗及相移。由于这些传输损耗在信号到达目的地IC(在本文中,指串行RapidIO交换)前发生,因此通常在信号发送至系统中的下一个传输部分(另一交换)或端点前,交换机必须采取措施补偿这些损耗。接收器均衡的功效与传输预加重类似,可改善整体信噪比。注意:连接至交换芯片的各链接可能具有不同的特性。
图3:带串行RapidIO交换的无线基带交换机及各种链接速率。
例如,图3中,FPGA的链接可能穿过电路板上的多个区域并可能经过数层而受到EMI影响,而来自交换的DSP链接可能以较低的速度运行且距离相当短。最后,背板链接也可能具有较高的速度且经过多个连接器。上述三种链接在振幅及相位方面的衰减特性各不相同如图4。
图4:接收到的信号被不同链接所影响。
同步与异步交换设计
串行RapidIO标准支持三种不同的链接速率:1.25G波特、2.5G波特及3.125G波特。交换可分为两类:同步及异步。
同步交换指所有端口必须以相同速度运转的交换。
异步交换指各端口可按特定链接的通信量需求所需的频率运转的交换。
在大部分应用中,最佳解决方案是异步交换,它不仅具有能以较低的系统整体功耗满足通信量需求的优点,而且就信号完整性而言,它受串音的影响更小。
封装及互连
信号完整性问题可能在很大程度上受封装及基础材料设计的影响。例如,高性能倒装芯片及打线接合封装可改善功率传送并减少回程损耗。就RapidIO交换机而言,改善阻抗匹配以维持100欧姆差分阻抗及较低的变差相当重要。倒装芯片封装可有助于改善上述情况。
高效球状映射
硅片供应商可能会选择球状映射简化从芯片至球栅的信号传输,但其作用并非仅限于此。在理想情况下,设计球状映射时会考虑整体系统级的实现。例如,在设计球状映射时,须谨记将外围IC链接至交换芯片。应对有关设计进行优化以最大程度减少层数及所需面积,这样可改善最终设计的信号完整性。配有相当密集的球状映射的IC在电路板上需要许多层,才能将信号从IC中发送出去,从而导致高成本的系统级设计。另一个问题是信号通道间的串音,该问题在上文讨论同步及异步RapidIO交换的区别时已提及。与信号通道间串扰及高效球状映射紧密相连的一个问题是电源与接地引脚之间的间隔。若将太多串行RapidIO端口插入小型封装,可能会由于串扰而导致信号完整性问题,从而导致在信号从交换机传输到端点时出现"闭眼"。
设计惯例技巧
现在,我们回顾一下信号完整性的另一方面,即电路板级的设计问题。设计人员可以采取许多设计指引来控制噪声产生的影响。通常,好的设计惯例可以帮助电路板设计人员控制电路板级通信产生的信号噪音,包括限制外部噪音源以及解决设备本身的噪音。
首先,所有设计均应采用正确的走线宽度、间隔及拓扑,以确保每个走线