對(duì)于200Mbps以上速率的信號(hào),，如果忽略寄生阻抗和阻抗不連續(xù)性的問題,，將會(huì)在傳輸線上產(chǎn)生增加性噪音，并出現(xiàn)資料位元誤碼,。本文將以基礎(chǔ)型高畫質(zhì)數(shù)字視頻路由器的處理方式為例,，詳細(xì)解說上述問題。

　　當(dāng)資料傳輸速率位于400Mbps至1.5Gbps之間時(shí),，信號(hào)路徑（signal path）就會(huì)形成傳輸線（transmission line）。在這個(gè)傳輸速度范圍內(nèi),，信號(hào)路徑模型必須包括電纜或底板中的電抗性寄生分量,。高速資料傳輸帶來的問題不僅僅是資料傳輸速率本身的問題，快速的信號(hào)邊緣變換率包含甚至更高的頻率分量,，這些高頻分量在分布式阻抗環(huán)境中的傳輸性能更差,。對(duì)于200Mbps以上速率的信號(hào)，如果忽略寄生阻抗和阻抗不連續(xù)性的問題,，將會(huì)在傳輸線上產(chǎn)生增加性噪音,，并出現(xiàn)資料位元誤碼。

　　高速信號(hào)傳輸實(shí)例分析

　　面對(duì)上述的問題,，我們以基礎(chǔ)型高畫質(zhì)（High-Definition,，HD）數(shù)字視頻路由器的處理方式為例進(jìn)行解說。HD視頻路由器可管理來自于廣播,、工作室或者節(jié)目制作設(shè)備之間的多項(xiàng)HD節(jié)目來源資料串流,。HD視頻管道是在270Mbps到高達(dá)1.485Gbps的速率范圍內(nèi)運(yùn)作，它需要被仔細(xì)地設(shè)計(jì)并採(cǎi)用一致的設(shè)計(jì)方法,，以確保交換路由器系統(tǒng)不會(huì)降低視頻資料的完整性,。

　　圖1︰高畫質(zhì)視頻路由器圖解。

　　在圖1的這個(gè)系統(tǒng)中,，可適應(yīng)均衡器（EQ）直接由BNC連接器接收HD信號(hào),。一個(gè)公共底板將信號(hào)從輸入卡連接到開關(guān)卡，以輸出到目標(biāo)信號(hào)管道,。信號(hào)從EQ經(jīng)過近8英寸的PCB,，點(diǎn)對(duì)點(diǎn)傳輸?shù)降装暹B接器，然后透過3到15英寸的底板（長(zhǎng)度取決于所使用的插槽類型）傳輸?shù)降诙€(gè)連接器，之后再經(jīng)過8英寸的PCB到交叉點(diǎn)開關(guān)元件的輸入,。一個(gè)重組時(shí)脈（re-clocker）/線纜驅(qū)動(dòng)器直接連接到交叉點(diǎn)開關(guān)的輸出以驅(qū)動(dòng)信號(hào)在電纜上的傳輸,。這些HD視頻路由器系統(tǒng)已模組化，可能具有8個(gè)到1000個(gè)輸入/輸出信號(hào)管道,。也因?yàn)槿绱?，信?hào)密度可能非常高。

　　圖2︰信號(hào)路徑上阻抗TDR圖實(shí)例,。

　　一般的FR4電路板材料是屬于阻抗一致的環(huán)境,，但是分散式寄生阻抗對(duì)訊號(hào)質(zhì)量會(huì)產(chǎn)生負(fù)面的影響。影響最大的部份,，是因大量工作在高于基本的資料速率的頻率分量產(chǎn)生的快速上下邊緣變換率,，所引起的信號(hào)損耗和緩慢轉(zhuǎn)換時(shí)間。除此之外,，在元件間（例如BNC連接器,、積體電路、電路板不同層之間的過道孔,，或者板子之間的連接器）的互相聯(lián)結(jié)可能導(dǎo)致與特征阻抗（Z0）的阻抗誤配,，這也會(huì)影響到信號(hào)品質(zhì)（如圖2）。密集的底板連接器會(huì)為訊號(hào)路徑增加感性負(fù)載,，而PCB的過道孔增加了信號(hào)路徑的容性負(fù)載,。

　　在信號(hào)傳輸路徑上，任何存在阻抗改變的地方都可能出現(xiàn)信號(hào)反射,。這些反射和寄生阻抗將導(dǎo)致信號(hào)幅度的損耗,、環(huán)狀波、上升時(shí)間變長(zhǎng)和EMI等問題,。在本文的范例系統(tǒng)中,，從EQ輸出到交叉點(diǎn)開關(guān)的輸入之間FR4電路板長(zhǎng)度預(yù)計(jì)長(zhǎng)達(dá)31英寸，在這個(gè)路徑上H會(huì)出現(xiàn)幾個(gè)阻抗不連續(xù)的情況,。如果沿著這個(gè)路徑的入射邊緣（incident edge）速度為175到200 ps/英寸,，資料速率為1.485Gbps（半波長(zhǎng) = 343 ps），那么在任何所給予的時(shí)間都存在多達(dá)18個(gè)傳換邊緣,。阻抗不匹配的入射邊緣產(chǎn)生的反射,，將影響到信號(hào)路徑上出現(xiàn)的所有信號(hào)變換邊緣。從信號(hào)邊緣1到信號(hào)邊緣17的反射在到達(dá)信號(hào)路徑終端時(shí),，將使第18個(gè)信號(hào)邊緣嚴(yán)重地失真,。結(jié)果得到的眼形圖（圖3）顯示了幅度損耗、額外的抖動(dòng)以及上升/下降時(shí)間變化,。

　　圖3︰經(jīng)過長(zhǎng)達(dá)31英吋的FR4電路板傳輸后,，交叉點(diǎn)開關(guān)輸入處的眼形圖,。

　　提升信號(hào)傳輸品質(zhì)的方法

　　對(duì)于這種挑戰(zhàn)的一個(gè)解決方案是在子卡和底板之間使用高品質(zhì)的連接器，這將使連接器的不連續(xù)性最小,。更好的過道孔設(shè)計(jì)將進(jìn)一步使TDR測(cè)量圖扁平化,，如此一來，將使得這個(gè)長(zhǎng)度的信號(hào)路徑的實(shí)際阻抗將與Z0非常接近,。

　　另外一種更具成本效益的解決方案,，是使用一個(gè)簡(jiǎn)單的LVDS緩沖器來驅(qū)動(dòng)和接收底板上傳來的信號(hào)。它會(huì)將信號(hào)傳輸路徑再細(xì)分為很短的區(qū)段,，以遮蔽阻抗誤配的問題,，并減少信號(hào)衰減。

　　在子卡的邊緣放置一個(gè)緩沖器以驅(qū)動(dòng)連接器和底板,，再透過交換子卡上的另外一個(gè)緩沖器用來接收信號(hào)（圖4）,，并重新驅(qū)動(dòng)這些信號(hào)到交叉點(diǎn)開關(guān)的輸入，以有效地隱藏兩個(gè)緩沖器之間的阻抗不連續(xù)（圖5）,。正確的阻抗終結(jié)也能確保接收器吸收線路中的所有能量,，使這些信號(hào)不會(huì)反射回來源端。

　　圖4︰利用緩沖器來克服阻抗的不連續(xù)問題,。

　　圖5︰采用緩沖器隔離底板連接后在交叉點(diǎn)輸入的信號(hào)眼形圖,。

　　除此之外，緩沖器通常還能增強(qiáng)信號(hào)品質(zhì),，改善原始信號(hào)。舉例而言,，具有輸入均衡的緩沖器將在底板上傳輸信號(hào)之前消除媒質(zhì)損耗帶來的定量性抖動(dòng)（deterministic jitter）,。輸出已預(yù)先加強(qiáng)信號(hào)的功能可增大信號(hào)幅度，使得在交叉點(diǎn)輸入或接收器處的眼形圖更為開闊,。在緩沖器I/O上,，較高的ESD極限可保護(hù)子卡上的其他元件免受底板上其他位置發(fā)生的ESD意外事件而損壞。

　　LVDS緩沖器的功能

　　下面將以一種四通道1.5 Gbps LVDS的緩沖器/中繼器為例進(jìn)行說明,。該元件的高速資料路徑和直通管腳使元件內(nèi)部產(chǎn)生抖動(dòng)最小,，并簡(jiǎn)化電路板設(shè)計(jì)。其可配置的預(yù)先加強(qiáng)信號(hào)功能,，可以克服底板和電纜損耗帶來的ISI抖動(dòng)效應(yīng),。位差輸入和輸出在內(nèi)部用100Ω的電阻終結(jié)以改善性能，并減小電路板尺寸,。增強(qiáng)信號(hào)強(qiáng)度的中繼器功能對(duì)于在高損耗的電纜和底板上長(zhǎng)距離傳輸信號(hào)來說,，特別有用。

　　圖6︰四通道1.5 Gbps LVDS的緩沖器/中繼器典型應(yīng)用,。

　　LVDS緩沖器具有帶電插接保護(hù)及15kV靜電釋放保護(hù)功能,，可以加強(qiáng)底板及電纜的抗干擾能力,，能保證現(xiàn)場(chǎng)可編程式陣列（FPGA）及專用積體電路（ASIC）傳送的信號(hào)的完整性。其應(yīng)用范圍包括電信,、資料通信,、工業(yè)系統(tǒng)、醫(yī)療設(shè)備,、汽車電子系統(tǒng)及辦公室圖像系統(tǒng)等,，典型應(yīng)用如圖6所示。LVDS緩沖器可以透過普通的底板或簡(jiǎn)單的電纜配置驅(qū)動(dòng)4個(gè)LVDS時(shí)鐘及/或資料通道,。由于這款晶片的位差輸入電壓范圍較寬,，因此很易接受LVDS、低電壓正射極耦合邏輯（LVPECL）或電流模式邏輯的輸入電平,，而且輸出電平完全符合LVDS的規(guī)格要求,。

　　做為范例的LVDS緩沖器晶片的資料傳輸率高達(dá)1.5Gbps，而且系統(tǒng)設(shè)計(jì)工程師更可利用這款晶片的可配置輸出預(yù)增強(qiáng)功能將輸出加以“加強(qiáng)驅(qū)動(dòng)力”,，以便為容易出現(xiàn)信號(hào)損耗的互連線路提供補(bǔ)償,。此外，對(duì)于必須盡量節(jié)省用電的應(yīng)用（如冗余應(yīng)用）,，若晶片的4條通道都暫停操作,，系統(tǒng)可以透過低功耗模式將功耗降至最低。

　　總結(jié)

　　跨底板的高速介面需要在整個(gè)信號(hào)路徑上控制阻抗,。采用簡(jiǎn)單型LVDS緩沖器來隔離阻抗不連續(xù)或者縮短互聯(lián)長(zhǎng)度可以降低系統(tǒng)成本,；并且也因?yàn)椴恍枋褂酶叱杀镜母哳l連接器，進(jìn)一步提升介面的運(yùn)作效能,。