Вход |  Регистрация
 
 
Время электроники Понедельник, 18 ноября
 
 


Это интересно!

Новости


Обзоры, аналитика


Интервью, презентации

Ранее

Передача сигнала Ethernet по оптическим сетям со скоростями 10, 40 и 100 Гбит/с

Новые устройства позволяют передавать сигналы 10G-Ethernet по оптическим магистральным и глобальным сетям с протяженными линиями, снижая стоимость оборудования и нагрузку на линию.

Управление встраиваемым приложением по сетям электропитания

В статье описан метод реализации технологии связи по сетям электропитания на базе системы на кристалле (СнК), который обеспечивает возможность гибкого конфигурирования встраиваемых приложений для систем освещения, промышленного управления, автоматизированных измерений, бытовой автоматики и интеллектуальных устройств управления питанием. Статья представляет собой перевод [1].

Узкополосная PLC-технология: OFDM-модуляция

В статье представлен обзор существующих спецификаций узкополосной технологии передачи данных по электросетям, в которых используется модуляция с мультиплексированием и ортогональным частотным разделением каналов, что позволило поднять скорость передачи данных в зависимости от используемого диапазона частот до 128—576 Кбит/с.

Реклама

По вопросам размещения рекламы обращайтесь в отдел рекламы

Реклама наших партнеров

 

13 октября

Применение усовершенствованных эквалайзеров и 20-м медных кабелей в линиях связи

В последнее время была проделана немалая работа по стандартизации медных кабельных линий связи. В результате появились стандарты SFF8431, IEEE802.3ba, FC-PI-4, SFF8461, FC-PI-5 и IEEE802.3ba. В статье рассматриваются новейшие технологии эквалайзерных ИС, а также модернизированные кабельные узлы, позволяющие создавать линии связи с помощью пассивных медных кабелей длиной 20 м. Публикация представляет собой сокращенный перевод [1].



Введение

По мере увеличения скорости последовательной передачи данных возрастают потери и искажения в линии связи. При скорости 1 Гбит/с потери и искажения сигнала относительно невелики, что позволяет работать с ним с помощью стандартных хост-микросхем и кабелей в большинстве приложений.

При увеличении скорости передачи данных до 10 Гбит/с искажения и потери возрастают в значительной мере. Многие новые стандарты передачи данных, в т.ч. спецификация SFF8431, разработаны также для пассивных медных кабельных узлов. Использование традиционных хост-микросхем и стандартных медных кабельных узлов позволяет создать канал связи длиной около 3 м.

Благодаря усовершенствованным эквалайзерным микросхемам возможность создания каналов связи со скоростью передачи данных до 10 Гбит/с становится вполне реальной. Для увеличения длины кабеля в хост-микросхемах используются две технологии.

Во-первых, для минимизации искажений используется корректирующий передатчик 10GBASE-KR который определяется стандартом IEEE802.3ap. У передатчика больший выходной сигнал по сравнению с другими стандартными передатчиками 10GbE, например, с модулем SFP+.

Формирователь выходных данных KR использует данные последующей и предшествующей корректирующей точек. Он реализует 3-точечный цифровой фильтр с конечной импульсной характеристикой (КИХ) для коррекции сильных искажений в длинном медном кабеле.

Во-вторых, в качестве приемника используется самый мощный для 10-Гбит/с Ethernet-сетей модуль 10GBASE-LRM на основе технологии автоматической компенсации дисперсии (Electronic Dispersion Compensation, EDC). Архитектура EDC позволяет корректировать сигнал с помощью блоков регулирования с прямой связью (Feed Forward Equalization, FFE) и распределенной обратной связи (Distributed Feedback Equalization, DFE).

В статье обсуждается вопрос создания 20-м линий связи 10GbE на основе новейших технологий модернизации медных кабельных узлов и хост-микросхем с 3-точечными КИХ-передатчиками и EDC-приемниками.

Новейшие технологии модернизации аппаратных средств

По мере повышения скорости передачи данных при неизменной длине медных кабелей увеличиваются искажение и ослабление сигнала. Многие стандарты 10GbE предусматривают для таких приложений усовершенствованные методы коррекции, позволяющие переопределить понятие «хороших» сигналов на выходе канала.

В традиционной схеме с опорным приемником «хорошим» считается сигнал с открытой глазковой диаграммой. При использовании эталонного EDC-приемника полностью закрытый глаз диаграммы может оцениваться как «хороший» сигнал, поскольку метод EDC-компенсации позволяет открыть глаз.

Схема EDC-компенсации (см. рис. 1) состоит из эквалайзера с прямой связью (FFE) и эквалайзера с распределенной обратной связью (DFE).

Рис. 1. EDC-архитектура

FFE-эквалайзер представляет собой линию задержки с ответвлениями. Весовой коэффициент для каждой точки ответвления (wfn на рисунке 1, где n — номер отвода) определяет, усиливается или ослабляется в ней сигнал. Каждое ответвление вносит свой вклад на суммирующем узле. Интенсивность входящего потока определяется отношением S/T, где T — интервал побитовой передачи, а S — целое число, равное количеству единичных интервалов задержки перед выходом блока FFE. В стандартных приложениях S = 2. Задержка в линии определяется отношением T/S между каждым ответвлением. Скорость передачи данных блока FFE составляет 1/T.

DFE-фильтр также представляет собой линию задержки с ответвлениями, на вход которого поступают символы с восстановленной тактовой синхронизацией с суммирующего узла FFE. Задержка между каждым ответвлением равна T, в отличие от T/S в FFE-эквалайзере. Ответвления обратной связи также имеют весовые коэффициенты (wbn на рисунке 1, где n — номер ответвления).

FFE-структура компенсирует межсимвольную интерференцию, но, как правило, в процессе этого увеличивает шум. Напротив, фильтр обратной связи позволяет нейтрализовать взаимовлияние символов, сводя к минимуму усиление шума. Выходной сигнал от блоков FFE и DFE поступает в канал рассогласования, который использует алгоритм оптимизации весовых коэффициентов каждого ответвления. Известно множество методов адаптации, например алгоритм минимальной среднеквадратичной ошибки, принцип обнуления и т.д. С помощью этой оптимизации весовых коэффициентов ответвлений настраивается частотная характеристика фильтра.

В самых последних стандартах определены усовершенствованные эквалайзеры. В стандарте IEEE802.3ap в состав схемы 10GBASE-KR изначально входили 1-точечный FFE-эквалайзер и 5-точечный DFE-эквалайзер, или т.н. 1,5 эквалайзер. В стандарте IEEE802.3aq в схеме 10GBASE-LRM использовался эквалайзер 14,5. К настоящему времени схема LRM считается самым мощным эквалайзером, стандартизованным для сетей 10Gb Ethernet.

Усовершенствованный 3-точечный КИХ-передатчик

В варианте 10GBASE-KR стандарта IEEE802.3ap в разделе 72.7.1.10 описан 3-точечный передатчик с конечной импульсной характеристикой (КИХ). Эта схема вносит задержку для каждого отвода на 1UI (единичный интервал). Таким образом, в каждой точке сигнал усиливается или ослабляется. Далее сигналы с трех точек суммируются.

Назначение этой архитектуры заключается в коррекции искажений как с использованием предыдущей, так и последующей точек.

Модернизированный кабель

Усовершенствование коснулось не только метода коррекции хост-микросхем — недавно были также модернизированы медные кабельные узлы. В приложении Е стандарта SFF8431 SFP+ определена кабельная линия с эквалайзером 10GBASE-LRM.

Эта спецификация побудила многих поставщиков кабелей доработать печатные платы и оконечные устройства для совместимости по таким параметрам как отношение VMA к коэффициенту перекрестных помех и dWDP (амплитудное искажение), определенным в SFP+ стандарта SFF8431.

Был также улучшен показатель вносимых потерь на единицу длины. У старых кабелей этот показатель составляет 2,1 дБ/м при 5 ГГц. У модернизированных кабелей вносимые потери равны 1,7 дБ/м. У стандартного 20-м кабеля, рассматриваемого в этой статье, потери на частоте Найквиста составили 43 дБ, а у модернизированного кабеля — 35,5 дБ.

Исходя из того, что на одну кабельную муфту потери равны 1 дБ, потери на стандартном кабеле составляют 2,05 дБ/м, а у модернизированного кабеля на частоте Найквиста — 1,675 дБ/м. Для 20-м кабеля они равны 7,5 дБ на частоте 5 ГГц.

Традиционное экранирование кабеля осуществлялось методом спиральной навивки. В результате возникала паразитная емкость, выступавшая в качестве НЧ-фильтра, что способствовало увеличению вносимых потерь на частоте около 7 ГГц. Для более коротких кабелей эта проблема не была слишком значительной. Напротив, для кабелей длиной 20 м или кабелей, обеспечивающих высокие скорости передачи данных, это серьезное препятствие, для преодоления которого был задействован метод однородного экранирования, напоминающий сворачивание сигареты. Благодаря этому была устранена паразитная емкость, и потери снизились на 7 ГГц.

Еще одним инновационным решением стало применение двух методов пассивной коррекции в кабельных сборках: создание пассивных узлов или использование в кабеле других проводящих материалов для коррекции сигнала с помощью скин-эффекта. Второй метод позволяет ослабить низкочастотные составляющие, уменьшив, таким образом, искажение сигнала на выходе кабеля.

Кабельные узлы были модернизированы в последнее время путем развязки от перекрестных помех, благодаря новому методу экранирования кабеля и коррекции искажений. Эти усовершенствования позволили увеличить длину кабеля, используемого в сетях Ethernet 10 10Gb.

Бюджеты линии связи

Создавая систему с медным кабелем, следует учитывать требования по напряжению и искажениям.

Бюджет напряжения ограничен чувствительностью приемника на дальнем конце линии связи и выходным сигналом передатчика с коррекцией предыскажений на ближнем (передающем) конце. Стандарты SFP+ (SFF8431) и FC-PI-4 (для оптоволоконного канала) устанавливают проверку этого бюджета с помощью амплитудной модуляции (Voltage Modulation Amplitude, VMA), которая определяется как амплитуда сигнала, использующего комбинацию чередующихся 8 нулей и 8 единиц.

По существу, это НЧ-амплитуда. Данные стандарты определяют минимальную величину НЧ-амплитуды сигнала, поступающего на EDC-приемник, при соблюдении требований к его минимальной чувствительности.

Во временной области предъявляются требования к искажениям. Для их уменьшения до минимального уровня выполняется коррекция путем их сложения с инвертированными искажениями. Эта коррекция позволяет существенно уменьшить низкочастотную амплитуду напряжения, сведя к минимуму искажения. Если соблюдены заданные параметры обоих бюджетов, поступающий на решающую схему скорректированный сигнал не содержит ошибок.

Лабораторные испытания

В лаборатории использовался генератор тестовых последовательностей 10G BERTScope со стандартной последовательностью PRBS31 и скоростью 10,3125 Гбит/с. К выходному передатчику 10GBASE-KR был добавлен модуль DPP генератора BERTScope, благодаря которому использовался либо хост-передатчик (см. рис. 3), либо DPP-передатчик (см. рис. 4).

Рис. 4. Блок-схема лабораторной установки с DPP-передатчиком 10GBASE-KR нестандартного сигнала большой амплитуды 1400 мВpp

Выходной сигнал генератора тестовых последовательностей поступал на хост-передатчик VSC824X через согласованную пару кабелей SMA, который, в свою очередь, подключался к плате совместимости с хостом SFP+ через другую согласованную пару кабелей SMA. Связь между платами совместимости осуществлялась с помощью медных кабелей.

Рис. 3. Блок-схема лабораторной установки с передатчиком 10GBASE KR

Со стороны приемника была установлена еще одна плата совместимости с хостом, которая была подключена к EDC-приемнику VSC824X. Выходной сигнал хоста поступал на детектор ошибок прибора BERTScope, измеряющий BER. В эксперименте исследовались сигналы передатчика с размахом дифференциального напряжения 1000 и 1400 мВ. Сигнал с размахом 1000 мВ использовалось в обоих случаях (см. рис 3 и 4).

Выходной сигнал с амплитудой 1400 мВ использовался только в случае с DPP-модулем генератора BERTScope (см. рис. 4). Это нестандартный выходной сигнал для KR использовался для изучения требований по искажениям независимо от бюджета напряжения.

Рис. 4. Блок-схема лабораторной установки с DPP-передатчиком 10GBASE-KR нестандартного сигнала большой амплитуды 1400 мВpp

Средняя точка 3-точечного передатчика была установлена на максимум, предшествующая — на фиксированное значение коррекции –11,7 дБ, а значения коррекции последующей точки менялись в соответствии с указанными в сводных таблицах 1 и 2.

На рисунках 5 и 6 показаны осциллограмма сигнала и глазковая диаграмма, соответственно, на которых представлены параметры коррекции предшествующей и последующей точек передатчика (см. рис. 2) в эксперименте 5 (см. табл. 1 и 2)

Таблица 1. Результаты лабораторных испытаний 1—8, позволяющие сравнить показатели модернизированного и стандартного кабелей

Сигнал передатчика в точке B

Параметры кабеля

Детектор ошибки входного сигнала

Испытание

Tx

Размах дифф. напряжения, мВ

Весовой коэффициент последующей точки, дБ

Тип

Длина, м

BER канала связи

1

DPP

1000

26,02

Модернизированный

20

2,00∙10–4

2

20,00

2,70∙10–10

3

16,48

10–13

4

5

VSC824х

13,35

6

DPP

26,02

Стандартный

7,03∙10–6

7

20,00

6,67∙10–6

8

16,48

2∙10–4

Таблица 2. Результаты лабораторных испытаний 1—5 и 9—13, позволяющие сравнить показатели передатчиков с размахом выходного сигнала 1000 и 1400 мВ

Сигнал передатчика в точке B

Параметры кабеля

Детектор ошибки входного сигнала

Испытание

Tx

Размах дифф. напряжения, мВ

Весовой коэффициент последующей точки, дБ

Тип

Длина, м

BER канала связи

1

DPP

1000

26,02

Модернизированный

20

2,00∙10–4

2

20,00

2,70∙10–10

3

16,48

10–13

4

5

VSC824х

13,35

9

DPP

1400

16,48

10

13,98

11

12,04

12

9,12

13

6,02

Рис. 5. Осциллограмма выходного сигнала передатчика с повторяющейся последовательностью из 8 нулей и 8 единиц с использованием коррекции в предыдущей и последующей точках
Рис. 6. Глазковая диаграмма выходного сигнала передатчика в эксперименте 5

Результаты лабораторных испытаний

В процессе 13-ти проведенных экспериментов измерялись выходной размах напряжения в точке В и частота появления ошибочных битов (BER) в конце линии с помощью детектора ошибок BERTScope (см. рис. 7).

Рис. 7. Точки B и D на блок-схеме лабораторной установки

В таблице 1 представлены результаты испытаний 1—8, в которых измерялся коэффициент BER канала связи с использованием модернизированного и стандартного кабелей при разных весовых коэффициентах последующей точки.

В таблице 2 представлены результаты испытаний 1—5 и 9—13, в которых измерялись параметры только модернизированного 20-м кабеля с амплитудами дифференциального напряжения выходного сигнала передатчика 1000 и 1400 мВ при изменении весовых коэффициентов последующей точки.

Результаты

В испытаниях исследовались параметры двух типов кабелей — стандартного и модернизированного. Стандартный кабель — типовой кабель, применяемый в сетях 1GbE, 2G Fibre Channel и 4G Fibre Channel; вносимые потери — около 2,1 дБ/м, экранирование спиральное. Модернизированный кабель соответствует новейшим стандартам; вносимые потери — 1,7 дБ/м, экранирование методом свертки.

Как и ожидалось, рабочие характеристики модернизированного кабеля лучше, чем у кабеля со спиральным экранированием. Интенсивность ошибочных битов у 20-м модернизированного кабеля оказалась нулевой в испытаниях 3—5 и 9—13.

Выводы

Совместное функционирование хост-микросхем и кабелей, созданных с помощью новых технологий, позволило увеличить длину 10-Гбит/с канала связи. Оптимальное сочетание хост-передатчика, пассивного медного кабеля и усовершенствованного приемника с эквалайзером стало основой создания передатчика 10GBASE-KR, EDC-приемника 10GBASE-LRM и модернизированного кабельного узла. В результате коэффициент BER 20-м медного кабеля оказался менее 8,08∙10–14. Наблюдавшийся запас, по крайней мере, в 10 дБ в бюджете искажений позволил снизить амплитуду низкочастотной составляющей (бюджет напряжения).

Литература

1. www.eetimes.com/design/embedded/4204490/Some-history-of-copper-cable-link-assemblies.



Вы можете скачать эту статью в формате pdf здесь.
Оцените материал:

Автор: Джордж Но (George Noh), старший системный инженер, Vitesse Semiconductor



Комментарии

0 / 0
0 / 0

Прокомментировать





 

Горячие темы

 
 




Rambler's Top100
Руководителям  |  Разработчикам  |  Производителям  |  Снабженцам
© 2007 - 2019 Издательский дом Электроника
Использование любых бесплатных материалов разрешено, при условии наличия ссылки на сайт «Время электроники».
Создание сайтаFractalla Design | Сделано на CMS DJEM ®
Контакты