本文的原理部分內容不僅適用於CoaXPress 協議,也同樣適用於其它高速訊號傳輸情形。在高速、低干擾訊號傳輸時,線纜和接外掛的選取是非常講究的,我們在實際應用中經常會遇到線纜原因、阻抗匹配原因導致的傳輸、測量問題,相信本文會對所有使用同軸線纜作為數字傳輸介質的使用者有幫助。
假設讀者已經對訊號反射、阻抗匹配有基本瞭解,如果不清楚,可以參考 網路文章
簡介
1、CoaXPress使用75歐姆阻抗電纜,AC,DC效能需要滿足要求;
2、接外掛使用75 Ω BNC,Micro-BNC,DIN 1.0/2.3;
線纜
阻抗
線纜阻抗要求 75 Ω ± 4 Ω, ± 4 Ω的精度是滿足協議對於反射的要求的。
回波損耗RL(Return Loss)指的是射頻輸入訊號反射回來的功率與輸入訊號功率的比值。是以db為單位,是一個負數。在理想情況下,負載與發射電路的阻抗完全匹配,完全沒有反射功率,這時的回波損耗為無限小。但是在工程上阻抗不可能完全匹配,因此反射功率是一定存在的。最差的情況是輸入功率完全被反射,此時回波損耗為0。因此對回波損耗這個技術引數,數值越低表示負載和傳輸鏈路效能越好 ;
CXP要求實際的回波損耗在下列測試條件下要優於表中的值(表格中只標註了線纜最高速率的一半以內的頻率,這是因為資料傳輸是DDR雙邊沿的,在時鐘訊號的上升沿和下降沿均攜帶有效資料)。
線纜長度
CoaXPress的最大長度要滿足3個要求中最低的要求:
1、線纜壓降不超過3.5V;
2、高速訊號衰減率;
3、低速訊號衰減率要求;
線纜壓降
單條線纜壓降最大不超過3.5V,此時為了保證13W的功率,需要向負載輸出對應負載端 702mA 的電流13W /18.5V = 702mA,其中18.5V是負載端壓降的最低要求。那麼3.5V/702mA = 4.98Ω. 這個 4.98Ω包含了接外掛位置、線纜核心和遮蔽層的電阻誤差,通常線纜越長誤差越大,因此需要限制線纜長度;
高速訊號衰減率
這裡的衰減率和回波損耗屬於同一個概念,下表給出了不同線纜bit速率下允許的最大功率損耗以及當前對應的測試訊號頻率,其中Belden 1494A只是線纜的一個型號以及當前型號對應的線纜長度。(表格中只標註了線纜最高速率的一半以內的頻率,這是因為資料傳輸是DDR雙邊沿的,在時鐘訊號的上升沿和下降沿均攜帶有效資料)
低速訊號衰減率
協議要求CXP1.1協議對應的20.83Mbps低速訊號對應的損耗要低於-4.74dB ,CXP2.0對應的低速訊號損耗要低於-2.5dB;
以上3個條件限制了線纜的總長度,其中最核心的還是高速訊號對應的損耗要求。
電流承載能力
線纜應當能夠承載至少1A的電流,這個1A也容易理解,最小18.5V的電壓對應了702mA電流,再給一些功率的裕量,1A是個最低要求。
電纜衰減評估
上文已經提到了不同bit速率下線纜允許的最大衰減,那麼如何評估一條線纜是否是否具備良好的AC特性,從而在有效頻寬內均滿足衰減要求呢?
由於HOST接收端會放置均衡器,因此我們可以近似認為線纜衰減模型為理想模型,只需要在頻寬內通過測量40-50個點擬合模型曲線,頻寬內殘差不超過1dB即可。
Attenuation (dB) = – A0 – SQRT(f / A1) – f / A2
• f指測量點的頻率
• A0是DC衰減.
• A1 是skin effect losses 中文為趨膚效應或者蒙皮效應,指的是高速訊號更傾向於流經淺層銅皮的現象,該引數就和具體的工藝相關.
• A2是 dielectric losses中文為介質損耗,這個東西就顧名思義,由於線纜材質不可能完全一致,訊號穿越時由於反射會造成一定損耗。
如下圖所示,測試使用了非75歐姆的線纜作為反例進行說明,擬合得到的曲線顯示在時鐘速率接近3GHz時對應的殘差出現了大於1dB的情形,那麼資料完整性在6Gbps時將無法保證。
接外掛
CXP1.1使用的是DIN 1.0/2.3,CXP2.1改用了Micro-BNC,原因是實際測試時DIN的高頻效能不如BNC,且BNC更加便宜。