Verbindungstechnik für die Highspeed-Datenübertragung

Auge(n) auf!

Highspeed-Anwendungen unterscheiden sich in den Spezifikationen von gängiger Verbindungstechnik. Mithilfe sorgfältiger Tests auf der Komponenten- sowie auf der Systemebene, etwa der SerDes-Simulation, wird sichergestellt, dass Kabel-Steckverbinder-Baugruppen die erforderliche Bitfehlerrate (BER) für eine zuverlässige Highspeed-Datenübertragung erreichen. Dabei verrät das sogenannte Augendiagramm wichtige Stellschrauben für die Signalintegrität.
 Ein Beispiel für die Verbesserung des Augendiagramms bei 10GB/s NRZ-Daten mit EQ
Ein Beispiel für die Verbesserung des Augendiagramms bei 10GB/s NRZ-Daten mit EQBild: Fischer Connectors GmbH

Die High-Speed-Datenübertragung bildet das Fundament für verschiedenste IoT-Applikationen in der Industrie. Die Gesamtgeschwindigkeit eines Kommunikationssystems hängt maßgeblich von der Architektur der physikalischen Schicht sowie den Spezifikationen von Sender und Empfänger ab. Dabei stellen die hohen Bitraten und typischerweise langen Übertragungsstrecken besondere Anforderungen an das Design von Kabel-Steckverbinder-Baugruppen, u.a. an die Komponentengeometrie, aber auch die EMI- und EMV-Abschirmung. Es gilt, ungünstige Effekte wie Rauschen, Verzerrungen sowie Einfügeverluste (Insertion Loss) bei der Signalübertragung zu vermeiden.

 Die MiniMax-Serie von Fischer mit neun Kontakten ist ein Beispiel für einen Steckverbinder, der speziell für die Hochgeschwindigkeitsdatenübertragung mit nur einem Protokoll (USB 3.2) entwickelt wurde.
Die MiniMax-Serie von Fischer mit neun Kontakten ist ein Beispiel für einen Steckverbinder, der speziell für die Hochgeschwindigkeitsdatenübertragung mit nur einem Protokoll (USB 3.2) entwickelt wurde.Bild: Fischer Connectors GmbH

Test auf der Komponentenebene: VNA

Die Übertragungsparameter einer Kabel-Steckverbinder-Baugruppe im Frequenzbereich werden klassischerweise mithilfe eines Netzwerkanalysators (engl.: Network Analyzer, kurz: VNA) ermittelt. Konkret werden damit die Streuparameter (S-Parameter) gemessen, das heißt die Wellengröße der Reflexion und Transmission als Funktion der Frequenz an den elektrischen Toren. Mangels koaxialer Schnittstellen an den zu prüfenden Komponenten müssen häufig Prüfvorrichtungen zwischen der koaxialen Schnittstelle eines Geräts und der zu prüfenden Komponente, etwa einem Stecker oder einem Kabel, zwischengeschalten werden. Für den Anschluss der Kabel-Steckverbinder-Baugruppe an das VNA-Gerät muss, ausgehend von der erforderlichen Bandbreite, eine High-Speed-Präzisionsleiterplatte entworfen werden. Für aussagekräftige Testergebnisse empfiehlt die Norm IEEE370-2020 die folgende Vorgehensweise:

  • Entwerfen Sie passende Leiterplattenhaltungen für die Leiterplatten-Leistungsklassen A, B und C,
  • Beseitigen Sie die Umgebungseinflüsse mithilfe einer geeigneten De-Embedding-Methode,
  • Überprüfen Sie die Qualität der S-Parameter-Messungen anhand von Passivitäts-, Kausalitäts- sowie Reziprozitätsmetriken.

Beim Testen seiner Highspeed-Verbindungstechnik greift Connectivity-Hersteller Fischer Connectors auf das validierte In-Situ-De-Embedding (ISD) von Ataitec mit einem R&S ZNB20 VNA zurück.

Testen auf Systemebene: SerDes-Simulation

Zum Konvertieren von seriellen in parallele Daten wird in der Highspeed-Kommunikation eine integrierte Schaltung, ein sogenannter Serializer/Deserializer (kurz: SerDes) eingesetzt. Der SerDes stellt die Datenübertragung über eine einzelne oder differentielle Leitung auch bei geringer Bandbreite oder über Medien sicher, die keine parallelen Daten unterstützen. Die Simulation des SerDes kann Aufschlüsse über entscheidende Verbindungsparameter liefern. Das daraus entstehende Augendiagramm ist ein gängiges Mittel, um die Signalqualität einer High-Speed-Datenübertragung zu visualisieren. Dazu wird ein- und dasselbe Signal zu verschiedenen Zeitpunkten gemessen und überlagert, um die statistisch verteilten Signalverläufe zu summieren. Die Augenöffnung im Augendiagramm gibt Aufschluss darüber, ob eine Signalübertragung stattfindet und wie störungsanfällig diese ist. Die horizontale Augenöffnung stellt den Zeitraum dar, in dem eine Auswertung des logischen Momentanzustandes möglich ist. Sind die Phasenzusammenhänge nicht eindeutig oder volatil, etwa durch Jitter, schließt sich das Auge in horizontaler Richtung. Wenn die Pegel nicht die Höhe erreichen, die zur Ansteuerung der nächsten Stufe notwendig sind, wird die Erkennung der Übertragung auch bei noch offenem Auge unmöglich. Indes zeigt die vertikale Augenöffnung an, ob eine Übertragung überhaupt möglich ist und wie empfindlich die Übertragung gegenüber Störungen ist. Ist das Auge geschlossen, so ist keine Signalrekonstruktion durch einen einfachen Schwellwert-Detektor möglich. Hier lohnt sich ein genauer Blick auf die Ursachen und mögliche Workarounds: Wenn etwa das Augendiagramm eines Kanals aufgrund einer hohen Einfügungsdämpfung am Empfänger geschlossen ist, kann es mithilfe von Entzerrungsschaltungen leicht geöffnet werden. Um eine Verbindung zuverlässig zu charakterisieren, sind daher eine Reihe von Elementen zu beachten: Transceiver-Modelle, TX- und RX-Puffer, TX- und RX-Pakete, Pre-Emphasis, De-Emphasis, Entzerrungsschaltungen und schließlich Taktdatenrückgewinnungsmodule. Zur weiteren Untersuchung der Geschwindigkeit einer Kabel-Steckverbinder-Baugruppe können Parameter auf Systemebene abgeleitet werden, wie z.B. Augendiagramme oder Bathtub-Kurven. Glücklicherweise stellen IC-Anbieter Modelle dieser Komponenten in IBIS-AMI-Formaten zur Verfügung, die über EDA-Tools in die Messung der Verbindungstechnik einbezogen werden können, um die Gesamtleistung des Systems zu bewerten. Im dargelegten Beispiel hat Fischer Connectors die TUSB1310a-Transceiver-Modelle von Texas Instruments zur Untersuchung des Steckverbinders MiniMax T10 für 5Gb/s NRZ USB3 (Gen1) untersucht, die Ergebnisse sind in einer Timing-Bathtub-Kurve sowie einem statistischen Augendiagramm zu sehen. Das Modell berücksichtigt keine Verstärkungs- oder Entzerrungsschaltung zur Verbesserung der Ergebnisse. Um den Kanal realistischer zu gestalten, wurde ein zufälliger Jitter von 0.23/(2*7,94) bei einer BER von 1e-12 in den Kanal aufgenommen.

Gut getestet ist halb verbunden

Für eine zuverlässige Highspeed-Datenübertragung muss die zugehörige Verbindungstechnik sowohl auf Komponenten- als auch auf Systemebene eingehend geprüft werden. Nur so kann die benötigte Signalintegrität sichergestellt werden. Fischer Connectors unterzieht seine Kabel und Steckverbinder umfassenden Tests, um sichere und leistungsstarke Verbindungen auf Industrieniveau zu gewährleisten.

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