書接上文PCI-SIG關(guān)于PCIe 信號的設(shè)計指南更多關(guān)注于鏈路的無源參數(shù),比如回?fù)p,插損等,不管是PCIe還是SATA、USB 等X信號,鏈路里一般都會有連接器器件,SIPI工程師會完成連接器選型的工作。
連接器選型常見的關(guān)注點:
- 整個頻率范圍,是否重點關(guān)注奈奎斯特頻率處的數(shù)值?
- 近端串?dāng)_(NEXT)和遠(yuǎn)端串?dāng)_(FEXT)等指標(biāo),比如常見的-40dB的指標(biāo)是否可接受?
- 近端串?dāng)_(NEXT)和遠(yuǎn)端串?dāng)_(FEXT)是否同等重要,若近端串?dāng)_(NEXT)符合指標(biāo),遠(yuǎn)端串?dāng)_(FEXT)是否還需考量?
本文的案例是基于Edge Card的連接器(具有極高共振特性)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。支持?jǐn)?shù)據(jù)速率:32 Gbps(奈奎斯特頻率點16GHz);
使用兩種不同PCB設(shè)計樣式:
- 方案1:基準(zhǔn)設(shè)計
- 方案2:接地焊盤添加一些過孔
紅色曲線是方案1設(shè)計,綠色曲線是方案2設(shè)計
相關(guān)的數(shù)據(jù)如下:
使用的串?dāng)_標(biāo)準(zhǔn)是-40 dB。
方案2改善了近端串?dāng)_,但在12GHz以上的頻段相對更差,如下圖:
方案2低頻段的遠(yuǎn)端串?dāng)_(FEXT)更高,但其諧振峰出現(xiàn)在更高頻段(頻帶明顯更寬)。如下圖:
一般的選擇是方案2的設(shè)計,但數(shù)據(jù)曲線沒能證明方案2有非常好的結(jié)果。
在上述評估連接器的過程中,更多使用的是近端串?dāng)_(NEXT)和遠(yuǎn)端串?dāng)_(FEXT)無源的參數(shù)來進(jìn)行。
近端串?dāng)_(NEXT)的幅度與通道長度無關(guān)。一旦耦合發(fā)生,噪聲幅度就固定了。因此,近端串?dāng)_(NEXT)是連接器、封裝等短耦合結(jié)構(gòu)的主要串?dāng)_指標(biāo)。
遠(yuǎn)端串?dāng)_(FEXT)的幅度與通道長度強(qiáng)烈相關(guān)。通道越長,攻擊信號和FEXT噪聲都會遭受更多損耗(衰減),因此FEXT幅度會變小。
當(dāng)近端和遠(yuǎn)端串?dāng)_不能夠明顯區(qū)分連接器性能,除了上面的指標(biāo),還可以考慮ICN指標(biāo)。
ICN 是 Insertion Coupling Noise 的縮寫,中文通常譯為 “插入耦合噪聲” 或 “插入串?dāng)_”。它是一個在高速數(shù)字設(shè)計和信號完整性(SI)領(lǐng)域中非常重要的概念,主要用于評估連接器、電纜組件等互連元件的性能質(zhì)量。
ICN = Crosstalk (串?dāng)_) - Insertion Loss (插入損耗)
這個公式的革命性在于:它將一個與位置強(qiáng)相關(guān)的測量值(NEXT),通過減去一個同樣與位置相關(guān)的損耗值(IL),得到了一個與位置無關(guān)的、僅表征連接器本身性能的固有指標(biāo)(ICN)。
ICN 通過一種歸一化的方法,剝離了通道的影響,從而可以公平地比較不同連接器的性能。在設(shè)計的早期階段,僅根據(jù)連接器的特性來預(yù)測其在完整通道中的表現(xiàn)。
了解完這些,再看一下連接器擺放位置對產(chǎn)品性能的影響。
當(dāng)連接器位置從20%移向80%(即從離Tx端較近變?yōu)殡xRx端較近)時,NEXT噪聲傳回Tx端所需經(jīng)過的路徑變長了。這段更長的路徑帶來了更大的損耗,因此測量到的NEXT噪聲能量(Kxa_next)變小了(dB數(shù)值下降)。
結(jié)論:近端串?dāng)_衰減系數(shù)Kxa_next 受連接器在通道中的位置影響巨大,不能真實反映連接器本身的耦合性能。
ICN Next的線性值會隨著連接器移向Rx端而顯著增大。這真實地表明:同一個連接器,放在通道末端比放在開端對系統(tǒng)性能的危害更大,因為它注入的噪聲衰減得更少。
連接器離接收端最近 -> 噪聲返回Tx的路徑最短 -> 路徑損耗最低 -> ICN值最大 -> 在接收端匯總的總噪聲最大 -> 眼高最?。ㄏ到y(tǒng)性能最差)。
FEXT路徑是直達(dá)Rx的,其長度是固定的,因此 遠(yuǎn)端端串?dāng)_衰減系數(shù)Kxa_fext 和 ICN Fext 都是常數(shù),與連接器位置無關(guān)。
其實上面的信息是基于近端串?dāng)_(NEXT)噪聲標(biāo)準(zhǔn)差&遠(yuǎn)端端串?dāng)_(NEXT)噪聲標(biāo)準(zhǔn)差相關(guān)公式,得出一個總噪聲標(biāo)準(zhǔn)差
公式里縮寫的PWF 是 Power Weighting Function 的縮寫,中文可譯為 “功率加權(quán)函數(shù)”。
它是一個在高速數(shù)字系統(tǒng)信號完整性(SI)分析和串?dāng)_(Crosstalk)評估中使用的核心概念,其本質(zhì)是一個頻域濾波器。PWF 的引入使得噪聲評估從簡單的 “幅度評估” 轉(zhuǎn)變?yōu)楦茖W(xué)的 “功率影響評估” ,從而與系統(tǒng)的實際性能關(guān)聯(lián)得更緊密。
不用糾結(jié)看不看得懂這些公式,有時候有些公式大家都看不懂,先知道和了解。寫出來和理解的對不對,有些我也不知道,重要的是寫出來,有懂的人會和我交流學(xué)習(xí)。
接下來直接給出最終數(shù)據(jù):