Poznaj podstawy integralności sygnałów

Rozwój wysokowydajnych ośrodków przetwarzania danych obsługujących sztuczną inteligencję (AI) sprawia, że integralność sygnałów (SI) ma znaczenie krytyczne, aby umożliwić przesyłanie ogromnych ilości danych z coraz większą szybkością. W celu zapewnienia integralności sygnałów, projektanci muszą zminimalizować odbicia, szumy i przesłuchy, zwracając uwagę na układ płytek oraz użycie odpowiednich przewodów i złączy. Muszą oni także rozumieć fundamentalne pojęcia, takie jak linie przesyłowe, impedancja, straty odbiciowe i rezonans.

Artykuł omawia niektóre terminy używane w dziedzinie integralności sygnałów oraz zagadnienia, na które projektanci muszą zwrócić uwagę. Następnie przedstawiono przykładowe rozwiązania złączy i kabli firmy Amphenol, aby zademonstrować sposób ich użycia w celu zapewnienia powodzenia projektu.

Linie przesyłowe

Linia przesyłowa składa się z dwóch (czasami trzech) przewodów żył o niezerowej długości, oddzielonych dielektrykiem (ilustracja 1). Żyły przenoszą sygnały elektryczne między elementami obwodu z minimalnymi stratami i zniekształceniami. Najczęściej spotykanymi przewodnikami są metale, na przykład miedź, która charakteryzuje się wysoką przewodnością i niskimi stratami mocy przy względnie niskich kosztach. Złoto jest znakomitym przewodnikiem, jednak ze względu na wysoki koszt, jego użycie jest ograniczone do zastosowań wymagających wysokiej odporności na korozję, na przykład na wtykach i gniazdach złączy. Inne metale i stopy zostały opracowane pod kątem konkretnych zastosowań lub właściwości materiału.

Ilustracja 1: linie przesyłowe składają się z żył oddzielonych dielektrykiem. Żyły mogą być równoległe lub koncentryczne. (Źródło ilustracji: Amphenol)

Dielektryki to materiały nieprzewodzące prądu elektrycznego, które oddzielają żyły, izolując obszar wokół elementów przewodzących. Właściwości dielektryków wpływają na sposób, w jaki sygnały przepływają w sąsiadujących żyłach.

Stała dielektryczna (Dk) i współczynnik rozpraszania (Df) są istotnymi właściwościami dielektryków wpływających na linie przesyłowe. Stała dielektryczna decyduje o prędkości propagacji sygnału w linii. Na przykład materiał o niższej stałej Dk oznacza większą prędkość propagacji. Współczynnik rozpraszania (Df) określa straty energii w materiale, gdy sygnał jest przesyłany w linii przesyłowej. Niższy współczynnik Df oznacza mniejsze tłumienie sygnałów, zwłaszcza przy wysokich częstotliwościach.

Powszechnie znanymi dielektrykami są powietrze i różne tworzywa sztuczne. Typowym podłożem płytki drukowanej jest trudnopalny dielektryk FR-4, czyli kompozyt z tkaniny z włókna szklanego, impregnowanej ogniotrwałą żywicą epoksydową.

Standardowe konfiguracje linii przesyłowych mają postać kabla koncentrycznego, skrętki dwużyłowej, linii paskowej oraz mikropaskowej na płytkach drukowanych. Dwie żyły tworzą tor sygnałowy i powrotny. Napięcie na linii przesyłowej jest mierzone między jej żyłami wzdłuż, a prąd jest mierzony w jednej z żył.

Pod względem integralności sygnałów, linia przesyłowa stanowi rozproszony element elektryczny, który przenosi poprzeczne lub quasi-poprzeczne fale elektromagnetyczne (TEM) między dwiema żyłami. Fale te składają się z naprzemiennych pól elektrycznych (E) i magnetycznych (H), które są prostopadłe do kierunku ruchu fali (ilustracja 2).

Ilustracja 2: linie przesyłowe przesyłają energię wzdłuż linii za pomocą naprzemiennych ortogonalnych pól elektrycznych i magnetycznych. (Źródło ilustracji: Amphenol)

Zmieniające się pole elektryczne wywołuje zmieniające się pole magnetyczne w postaci naprzemiennej serii transformacji, co powoduje propagację poprzecznej fali elektromagnetycznej (TEM) wzdłuż linii w kierunku prostopadłym do obydwu pól.

Połączenia linii przesyłowej pomiędzy elementami obwodu są skonfigurowane jako jednostronne lub różnicowe (ilustracja 3).

Ilustracja 3: linie przesyłowe mogą być skonfigurowane jako jednostronne (niesymetryczne) wykorzystujące żyłę sygnałową i powrotną lub uziemiającą, bądź jako różnicowe (symetryczne) z dwiema komplementarnymi żyłami sygnałowymi i żyłą uziemiającą. (Źródło ilustracji: Amphenol)

Konfiguracja jednostronna wykorzystuje linię sygnałową i linię uziemiającą. Sygnały nie są identyczne, a konfiguracja jest uważana za niesymetryczny tryb propagacji. Konfiguracja różnicowa wykorzystuje dwie komplementarne linie sygnałowe i linię uziemiającą, zwykle prowadzoną oddzielnie. Sygnały różnicowe są przykładem symetrycznego trybu propagacji, ponieważ interesujący nas sygnał jest matematyczną różnicą między dwoma składnikami sygnału.

Impedancja linii przesyłowej

Impedancja elektryczna przeciwstawia się przepływowi prądu płynącego w wyniku przyłożenia napięcia zmiennego i jest mierzona w omach (Ω). Impedancja jest zespolonym stosunkiem napięcia do prądu w każdym punkcie wzdłuż żyły.

Linie przesyłowe muszą ograniczać impedancję, aby przenosić sygnały z dużą prędkością i przepustowością bez pogorszenia jakości w wyniku odbić. Ich impedancja chwilowa w każdym punkcie linii jest stała i nazywana impedancją charakterystyczną. O impedancji linii przesyłowej decydują szerokości, odstępy i długości ścieżek, a także właściwości dielektryczne między ścieżkami i płaszczyzną uziemienia.

Impedancja charakterystyczna może być rozumiana jako opór stawiany przekazywanej energii związanej z propagacją fali w linii znacznie dłuższej niż długość fali propagowanego sygnału.

Odbicia sygnału

Jeżeli sygnał jest propagowany przez linię przesyłową do odbiornika o impedancji równej impedancji charakterystycznej linii, sygnał dociera do odbiornika w całości. Jeśli impedancja obciążeniowa różni się od impedancji charakterystycznej linii, część energii wysyłanej do odbiornika jest odbijana z powrotem w kierunku źródła.

Współczynnik odbicia to stosunek amplitudy napięcia odbitego V_R, do amplitudy napięcia padającego V_I (ilustracja 4). Zależy on od impedancji obciążenia (Z_L) i impedancji charakterystycznej linii przesyłowej (Z_C).

Ilustracja 4: współczynnik odbicia zależy od impedancji obciążeniowej i impedancji charakterystycznej linii przesyłowej. (Źródło ilustracji: Amphenol)

Odbicia są wynikiem przechodzenia sygnału przez granicę, gdzie nośniki mają niedopasowane impedancje (ilustracja 5). Współczynnik odbicia określa amplitudę i fazę odbicia na każdej powierzchni rozdziału. Sygnał na odbiorniku jest sumą sygnału nadawanego i opóźnionych w czasie odbić.

Ilustracja 5: nadawany sygnał jest zniekształcany przez zsumowane składowe odbite o opóźnieniach czasowych proporcjonalnych do opóźnień propagacji na drodze odbicia. (Źródło ilustracji: Amphenol)

Na połączeniu impedancji Z₂ i Z₃ następuje odbicie części sygnału padającego z powrotem w kierunku nadajnika, natomiast większość energii padającej jest przekazywana do odbiornika. Odbity sygnał napotyka niedopasowanie na drodze powrotnej i jest częściowo odbijany z powrotem w kierunku odbiornika. Zbocza sygnału są odbijane z polaryzacją zależną od tego, czy impedancja na złączu wzrasta czy maleje. Parametry czasowe odbić zależą od fizycznej odległości między połączeniami. Odbiornik widzi sumę sygnału nadawanego i wszystkich odbić.

Należy zauważyć, że odbierany sygnał ma niejednorodne poziomy górne i dolne ze względu na dodanie odbić. Jeśli amplitudy odbić są wystarczająco wysokie, mogą wystąpić błędy podczas odczytu danych. Redukcja anomalii odbić jest jednym z krytycznych aspektów dla integralności sygnałów.

Straty odbiciowe i tłumienność wtrąceniowa

Linie przesyłowe są charakteryzowane zarówno w domenie czasu, jak i częstotliwości. W dziedzinie częstotliwości, odbicia są mierzone jako straty odbiciowe (RL) w decybelach (dB) (ilustracja 6). Część mocy padającej, która nie dociera do odbiornika jest charakteryzowana przez tłumienność wtrąceniową (IL), również mierzoną w dB. Niższa tłumienność wtrąceniowa przekłada się na wyższą jakość połączenia.

Ilustracja 6: straty odbiciowe mierzą moc odbitą w dziedzinie częstotliwości, natomiast tłumienność wtrąceniowa mierzy moc otrzymywaną na obciążeniu. (Źródło ilustracji: Art Pini)

Parametrem opisującym tłumienność wtrąceniową w kablach koncentrycznych jest tłumienie na jednostkę długości, podawane w decybelach na stopę (dB/ft) lub decybelach na metr (dB/m).

Szumy

Szumy to sygnały niepożądane, które pojawiają się w liniach przesyłowych. Odbicia można postrzegać jako rodzaj szumów, które mogą pogarszać jakość odbieranego sygnału. Szumy w linii, w której nie występuje transmisja sygnałów mogą być odbierane jako fałszywy sygnał.

Szumy mogą pochodzić z wielu źródeł, takich jak szum termiczny, promieniowanie zewnętrzne działające na linię przesyłową oraz szumy z innych linii w tym samym urządzeniu (przesłuchy). Energia z tych źródeł dodaje się do sygnałów w liniach przesyłowych. Szumy charakteryzowane są przez stosunek sygnału do szumu (SNR), mierzonym jako stosunek mocy sygnału do mocy szumów w linii przesyłowej. Im wyższy stosunek sygnału do szumu (SNR), tym lepsza jakość sygnału.

Przesłuchy

Przesłuchy są podkategorią niepożądanych szumów, które pojawiają się w linii przesyłowej z powodu interakcji z polami elektromagnetycznymi (EM) pochodzącymi z sąsiednich linii bez bezpośredniego kontaktu. Przesłuchy są powodowane przez sprzężenie pojemnościowe lub indukcyjne między linią zakłócającą (nośną) i linią zakłócaną (odbiorczą)(ilustracja 7).

Ilustracja 7: przesłuchy mogą być spowodowane sprzężeniem pojemnościowym w wyniku zmian napięcia lub sprzężeniem indukcyjnym w wyniku zmian natężenia prądu, pomiędzy linią zakłócającą i linią zakłócaną. (Źródło ilustracji: Amphenol)

Przesłuchy są oznaczane zależnie od miejsca, w którym na obwód zakłócany działają sprzężone szumy. Przesłuchy zbliżne (NEXT) pojawiają się po stronie nadajnika linii przesyłowej lub urządzenia badanego (DUT), natomiast przesłuchy zdalne (FEXT) pojawiają się po stronie odbiornika.

Przesłuchy można zmniejszyć, zwiększając odległość między sąsiednimi liniami przesyłowymi, zmniejszając długość drogi, stosując linie różnicowe niwelujące szumy wspólne dla obu linii, stosując prostopadłość ścieżek na sąsiednich warstwach płytek drukowanych oraz wprowadzając integralne uziemienie i ekranowanie przed zakłóceniami elektromagnetycznymi (EMI).

Rezonans

Rezonans występuje wtedy, gdy droga sygnału jest wielokrotnością jednej czwartej długości fali sygnału. W takich punktach sygnał odbity pokrywa się z falą padającą i wzmacnia albo osłabia transmitowany sygnał. Częstotliwości odpowiadające tym długościom fal nazywane są rezonansowymi.

Rezonanse mogą powodować szumy lub zniekształcać sygnały i mogą być powodowane przez niezakończone odcinki linii przesyłowych, zwane odgałęzieniami, w ścieżce sygnałowej lub nieidealnych odcinkach powrotnych uziemienia. Ilustracja 8 ukazuje zjawisko rezonansu spowodowane odgałęzieniami kilku rodzajów o dwóch różnych długościach, w kanale 12Gbps.

Ilustracja 8: przykłady zjawiska rezonansu spowodowane kilkoma rodzajami odgałęzień linii przesyłowej o dwóch różnych długościach, w kanale 12Gbps. (Źródło ilustracji: Amphenol)

Odgałęzienia oznaczone czerwonymi prostokątami mają długość 0,25in. (6,35mm), co daje częstotliwość rezonansową około 6GHz. Trzy krótkie odgałęzienia poniżej zielonego znaku zaznaczenia mają długość 0,025in. (0,64mm). Ich częstotliwość rezonansowa jest dziesięciokrotnie wyższa i wynosi 60GHz. Wrażliwości widmowe w obydwu przypadkach ukazano na wykresach analizatora widma u góry po lewej. Czerwone widmo to odpowiedź dla odgałęzień 0,25in. natomiast zielona linia dotyczy odgałęzień 0,025in. Odgałęzienie 0,25in. wykazuje stłumioną wrażliwość wyśrodkowaną na 6GHz o bardzo niskiej amplitudzie.

Wykres oczkowy w prawym górnym rogu nakłada sekwencje wielobitowe 011, 001, 100 i 110 w celu uzyskania graficznej reprezentacji dla pomiaru integralności sygnału. Tak długo, jak oko pozostaje otwarte, transmisja jest pomyślna. Zamknięcie oka w pionie spowodowane jest szumami, odbiciami i przesłuchami. Zamknięcie oka w poziomie jest związane z problemami z synchronizacją, na przykład fluktuacjami. Rezonans 6GHz skutkuje zamknięciem oka ze względu na utratę amplitudy sygnału.

Integralność sygnałów w specyfikacjach komponentów połączeniowych

Komponenty połączeniowe współpracujące z procesorami sztucznej inteligencji w ośrodkach przetwarzania danych obejmują kable koncentryczne i skrętki dwużyłowe, złącza oraz płytki drukowane (ilustracja 9). Specyfikacje tych komponentów są zwykle określane poprzez impedancję charakterystyczną i szerokość pasma. Specyfikacje dotyczące integralności sygnałów obejmują tłumienie, współczynnik prędkości, straty odbiciowe, tłumienność wtrąceniową i przesłuchy.

Ilustracja 9: obsługa procesorów sztucznej inteligencji w ośrodkach przetwarzania danych wymaga szybkich kabli i złączy, które zapewniają dokładną i niezawodną komunikację między elementami. (Źródło ilustracji: Amphenol)

Przykładem może być niskostratny kabel koncentryczny 50Ω typu LMR-400-ULTRAFLEX firmy Times Microwave Systems, przeznaczony do pracy z częstotliwością 6GHz w pomieszczeniach i na zewnątrz budynków. Jego tłumienie zależne od częstotliwości wynosi 0,05dB/ft. dla 900MHz i wzrasta do 0,13dB/ft. przy 5,8GHz. Jego prędkość propagacji, specyfikacja służąca do oceny odbić, wynosi 80% prędkości światła (współczynnik prędkości 0,8). Straty odbiciowe i tłumienność przesyłania zależne są od długości i podawane są w specyfikacjach kabli.

Specyfikacje takich komponentów, jak złącza wyglądają nieco inaczej. 112-pozycyjne męskie złącze listwowe 10128419-101LF firmy Amphenol Communications Solutions jest przeznaczone do użycia na płytach montażowych. Jest ono przeznaczone do obsługi sygnałów cyfrowych o maksymalnej prędkości bitowej od 25 do 56Gbps. Styki mają impedancję charakterystyczną wynoszącą 92Ω. Tłumienność wtrąceniowa i specyfikacje dotyczące przesłuchów mają w złączach wielożyłowych znaczenie krytyczne (ilustracja 10).

Ilustracja 10: znaczna tłumienność wtrąceniowa i specyfikacje przesłuchów w funkcji częstotliwości dla listwy 10128419-101LF. (Źródło ilustracji: Amphenol)

Są to typowe specyfikacje dotyczące integralności sygnałów dla komponentów połączeniowych.

Podsumowanie

Integralność sygnałów należy brać pod uwagę na wszystkich etapach projektowania systemów wysokiej prędkości, takich jak ośrodek przetwarzania danych sztucznej inteligencji (AI). Na integralność sygnałów wpływa wiele czynników, a projektanci muszą uwzględnić je wszystkie, aby zapobiec ich skutkom. Integralność sygnałów można zmaksymalizować dzięki odpowiedniemu układowi ścieżek na płytkach drukowanych oraz użyciu właściwych żył i złączy.