CODICO - YOUR DESIGN-IN COMPONENT COMPANY

MINDSPEED: HIGHSPEED-LINKS UND IHRE HERAUSFORDERUNGEN!

01.09.2009

In vielen Bereichen der Technik sind in den letzten Jahren die Anforderungen an die Datenübertragungsraten ständig gestiegen. Um diesem Trend gerecht zu werden, wurden viele Bussysteme von paralleler Architektur hin zu serieller Datenübertragung bei gleichzeitiger, massiver Erhöhung der Datenübertragungsgeschwindigkeit migriert. PCI Express, XAUI, HDMI, DVI, Fiber Channel, Serial Digital (Video) Interface sind nur einige Vertreter dieser neuen seriellen Übertragungstechniken.

Brachte es der synchrone PCI-Bus im PC bei 33MHz Taktrate und 32 parallelen Adress-/ Datenleitungen auf eine Datenübertragungsrate von 133MByte/s, so wurde diese Kapazität bei PCI Express mit 1,25GHz Taktrate auf nur einer Vollduplex-Lane, wie sie im Fachjargon genannt wird, sogar auf 250MByte/s verdoppelt. Jede Lane besteht dabei aus jeweils 2 Leitungen (ein differentielles Leitungspaar) für das Senden und Empfangen. Dabei können viele dieser seriellen Busse durch hinzufügen weiterer Links bzw. Lanes in ihrer Übertragungskapazität vervielfacht werden. Die Anzahl der Leitungspaare erhöht sich entsprechend. Durch ständige Erweiterungen und Ergänzungen der Spezifikationen werden zudem die Takt- und Datenübertragungsraten fortlaufend erhöht. Der aktuelle PCIe-3.0-Standard spezifiziert Datenraten von 32Gigabyte/s auf bis zu 32 Lanes.

Die Serialisierung, verbunden mit den hohen Datenübertragungsraten, führt zu bisher nicht dagewesenen Designherausforderungen für die Entwicklungsingenieure. Hier einige Beispiele:

  1. Differentielle Leitungspaare müssen genau parallel geführt werden und sie dürfen nicht unterschiedlich lang sein. Außerdem müssen mehrere Lanes einer Verbindung in der Regel ebenfalls gleich lang sein um keine Zeitverschiebungen gegenüber den benachbarten Lanes zu bekommen.
  2. Viele dieser High-Speed-Anwendungen erfordern auch ein flexibles Verschalten der Verbindungen, sei es, dass man mehrere Signalquellen gleichen Protokolls, z.B. mehrere Computer mit DVI Interface, mit einem bestimmten Monitor verbinden will oder aber Signale unterschiedlicher Sender z.B. PCIe, XAUI in Abhängigkeit von der Anwendung auf einen bestimmten Empfänger schalten möchte.
  3. Bei Takt- bzw. Datenraten von 3,2Gbps und mehr machen sich Übergänge z. B. von der Leiterplatte zum Stecker oder Durchkontaktierungen in Leiterplatten, bei denen die nicht benötigten Vias nicht zurückgebohrt werden, als Diskontinuitäten bemerkbar und dämpfen die Signale durch Reflexion an diesen Stellen recht stark. Folgen mehrere dieser Diskontinuitäten in einem Signalpfad aufeinander wird das Signal immer stärker gedämpft und gleichzeitig erhöht sich der Jitter. Man spricht davon, dass sich das Signalauge im Pegel-Zeit-Diagramm schließt.


Wie löst man nun solche Probleme?

Um die Anforderungen an das Routing der komplexen Leitungsführung zu erfüllen, erhöht man oft die Anzahl der Lagen der Leiterplatte und dies führt zu erheblicher Kostensteigerung. Eine preisgünstigere Alternative dazu könnte z. B. der Einsatz eines Cross-Point-Switches (XPS) sein. Durch ihn lassen sich komplizierte Signalführungen vereinfachen und die Anzahl der Lagen und damit die Platinenkosten reduzieren.

Das Problem der flexiblen Verschaltung könnte man durch Bestückungsvarianten der Leiterplatten lösen; sie führen aber zu höheren Lagerhaltungs- und Verwaltungskosten. Hier bringt ein Cross-Point-Switch Abhilfe, welcher per Hardwarepin oder Software andere Konfigurationen auswählen lässt.

Bei der im 3. Beispielpunkt angesprochenen Thematik ist es immer notwendig die Leitungsverluste der Signalpfade in Empfangsrichtung auszugleichen - man spricht von Equalisierung -, den Jitter mittels eines Reclockers zu beseitigen und die Signale am Ausgang wieder zu verstärken.

Bild 1 zeigt das Augendiagramm eines 2,5Gbps-Signals vor und nach der Eingangs- Equalisierung. Es kann gegebenenfalls notwendig sein einen Vorausgleich für die natürliche, starke Dämpfung dieser Hochgeschwindigkeitssignale auf ihrem Weg durch das System oder auf dem Kabel vorzunehmen. In diesem Fall spricht man von De- bzw. Pre-Emphasis (Vorentzerrung). In Bild 2 ist der gemessene Signalverlauf eines 2,5Gbps Signals bei aus- und eingeschalteter Pre-Emphasis abgebildet.

MINDSPEED ist einer der führenden Anbieter in den Bereichen Takt- und Datenrückgewinnung, in der Verschaltung von High-Speed-Signalen sowie generell bei der Signalintegrität. Das Sortiment beinhaltet Cross-Point-Switches, Clock- und Data-Recovery-Produkte (CDR), Kabel-Equalizer, Reclocker und Kabeltreiber. Dabei werden im XPS Bereich Produkte mit 2 Eingängen und 2 Ausgängen in nur 4mm x 4mm kleinen Gehäusen angeboten und das Sortiment erweitert sich nach oben bis zu einem XPS mit 144 Eingängen und 144 Ausgängen. Die Geschwindigkeiten variieren von wenigen Mbit/s bis aktuell 6,5Gbps.

Tabelle: MINDSPEED Cross Point Switch Portfolio

Ganz neu im Programm sind die beiden asynchronen 6,5Gbps Cross-Point-Switches M21145 und M21165, wobei der M21145 jeweils 80 Ein- und Ausgänge aufweist und der M21165 jeweils 160. Beide verfügen über eine blockierungsfreie Schaltmatrix und eine programmierbare Eingangs-Equalisierung die pro Lane einstellbar ist. Die De-Emphasis von bis zu 6dB am Ausgang lässt sich ebenfalls frei programmieren. Die XPS arbeiten protokollunabhängig, d.h. sie sind transparent und können über verschiedene Schnittstellen (2-Wire I²C, 4-Wire SPI, 8Bit parallel) administriert werden. Eine neue Konfiguration kann in ein sogenanntes Shadowregister geladen werden ohne die bisherige Konfiguration zu verändern. Die Umschaltung auf die neue Konfiguration erfolgt dann mittels Hardware-Pin oder softwaregesteuert und liegt im Nanosekundenbereich. Die beiden XPS können mit nur einer Versorgungsspannung von 1,2V betrieben werden und haben eine sehr geringe Verlustleistung pro Port. Sie unterstützen I/O-Spannungen von 1,2V, 1,8V und 2,5V.

Ebenso wie die beiden neuen XPS M21145 und M21165 sind viele der von MINDSPEED angebotenen Produkte auch für das im Professional-Video-Bereich verwendete Serial Digital Interface (SDI) geeignet, eine serielle, digitale Schnittstelle, primär zur Übertragung von unkomprimierten und unverschlüsselten Videodaten über Koaxialkabel. Dabei werden alle relevanten SMPTE Standards und Geschwindigkeiten unterstützt, so auch das sogenannte SD- (Standard-Definition), HD- (High-Definition) und 2x HD- bzw. 3G- SDI.

Ganz neu in diesem Bereich bietet MINDSPEED mit dem M21524 einen zweifachen 3G-SDI Kabel-Equalizer, mit dem M21528 einen zweifachen 3G-Kabel Treiber und mit den beiden M21350 und M21355 jeweils vierfach Reclocker an, die sich durch die integrierten Mulitplexer unterscheiden (M21350 : 4x 4:1 Multiplexer; M21355: 16:1 Multiplexer). Alle vier Produkte zeichnen sich durch ihren äußerst reduzierten Leistungsverbrauch aus, welcher gegenüber heutigen Lösungen um bis zu 70% gesenkt werden konnte. Ein ebenso großer Vorteil für den Platzbedarf auf dem Board ist die Unterbringung der Komponenten in winzigen Gehäusen (4mm x 4mm, 24 Pin QFN beim M21524 und M21528 und 10mm x 10mm, 72 Pin QFN beim M21350 und M21355).

A06
Imp_2_2009_A 06_MINDSPEED_Highspeedlinks_Bild1_kl.jpg
Bild 1
Imp_2_2009_A 06_MINDSPEED_Highspeedlinks_Bild2_kl.jpg
Bild 2

Diese Website verwendet Cookies um Ihnen den bestmöglichen Service zu bieten. Durch die Benutzung dieser Website sind Sie mit der Verwendung von Cookies einverstanden.
Mehr Informationen erhalten Sie hier

Nicht mehr anzeigen