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高速背板设计考虑和创新解决方案分析 高速背板设计者面临信号衰减、符号间干扰 (ISI)及串扰等几项主要挑战。 具有创新信号调整技术的芯片产品 (如高速背板接口解决方案 )可有效解决 这些系统级难题，使系统厂商能为其客户提供高性能及可升级的系统，并 减少开发时间及成本。 路由器、以太网交换机及存储子系统等基于模块化机箱的系统中，高速背 板要求有高等级的信号完整性及更高的系统吞吐量。面向这些应用的系统 供应商为了用一种经济且及时的方式来设计这些高速背板，正面临众多挑 战。他们还必须保护其客户在原有线卡、机箱及电源上的投资，同时还必 须支持更高的性能及提供更新的服务。 今天，一些系统中的背板正采用 5Gbps 或更高速的串行链路技术运行。为 设计能以这种速率工作的高可靠系统，要求芯片厂商提供确保在背板中进 行无错误传输的解决方案。本文将阐述基于模块化机箱系统中的高速背板 及其设计挑战，同时将讨论能解决这些挑战的芯片解决方案。 基于模块化机箱的系统实例 像核心路由器、企业级交换机及存储子系统等模块化机箱系统，全都拥有 高速背板及多个线卡。通过增加更多的线卡以及提高线卡端口密度，可提 高系统性能及容量。这些系统均为模块化，可独立进行扩展。它们还被设 计成具有高可用性以确保连续运行。 这些系统由含有冗余开关卡、线卡及电源模块的插槽组成。它们可配备冗 余组件来增加安装的可靠性及可用性。图 1 为一种典型的基于模块化机箱 的系统配置。背板接口解决方案 (亦称为高速串行连接 )提供高速背板间的 全双工通信。串行连接器件的速度取决于系统吞吐量要求。串行连接通过 高速差分信号来传输数据。然后此差分信号又通过线卡及连接器路由，穿 过背板并经过另一组高密度连接器。其信道特征取决于背板材料、连接器 密度、走线宽度 / 耦合等。在典型的路由器中，根据线卡插入这些走线中的 位置，走线长度可在 1 英寸至 48 英寸范围内。 这些模块化机箱系统中的背板接口器件具有以下一些关键要求： 1．提高速度：接口器件应能满足系统设计者不断提高的带宽要求。芯片 厂商目前正出售 3.125-5Gbps速率并在提供 6.25Gbps解决方案的样品， 以 实现对现有背板中的解决方案进行升级。通过简单的开关卡升级，系统厂 商可再利用现有机箱及线卡，同时提供一种向更高带宽线卡的升级途径， 以低成本来为客户提供更多的服务； 2．后向兼容性：背板接口器件要求能以原有线卡速度工作，以便与原有 线卡兼容； 3． 高密度及低功耗：为应付日益增加的网络流量，这些系统需要更小的 占位面积及更高的性能和密度， 且不会额外增加的功耗。 因此对功耗更低、 速度更快的背板器件的需求始终存在。 4． 可制造性及可测试性：背板接口器件需要整合 JTAG 及 BIST 等功能， 来实现原型创建及制造期间的芯片级和系统级测试。 高速背板设计考虑 随着数据速率超出 1Gbps 水平，设计人员必须解决其背板系统设计中的新 问题。这些背板的信号完整性受趋肤效应、介电损耗、串扰引起的更大噪 声以及符号间干扰 (ISI) 等因素的影响。 趋肤效应是这样一种现象，即随着频率的增加，大部分电流将集中于外部 导体上。由趋肤效应所引起的损耗与频率的平方根、走线的宽度和高度成 正比。 介电损耗是由板电介质热损耗所引起，且随频率线性增加。在较 高频率上，介电损耗便成为一个较严重的问题。这些损耗不仅降低信号的 幅度而且还减慢信号的边缘速度，进而造成信号发散及抖动容限较差。 因为衰减较少的低频分量与衰减较多的高频分量在接收器上相加，信号发 散将导致符号间干扰。 结果，其眼图开口变小， 因此更难在接收端上恢复， 从而导致无法接受的误码率。这限制了最大位速率。另一种解释此现象的 方式是，信号 变脏“ ”或发散，致使能量逐位下降，进而产生误码。在较低 速率上，可对 ISI 进行校正，因为有足够的时序余量。但在较高速率上， I SI 不再只限于信号边界，而是能影响整个位宽度。 噪声的主要来源是由高密度的连接器及