Оценка параметров высокоскоростных линий связи для высоконадежных реконфигурируемых систем на базе S-параметров и BER

Цель исследования: улучшение параметров передачи сигнала в высокоскоростных линиях передачи сигнала, в том числе между программируемыми логическими интегральными схемами (ПЛИС). Такое улучшение параметров передачи сигнала с учетом влияния на них электрических и конструктивных параметров многослойных печатных плат (МПП) необходимо для повышения пропускной способности современных высоконадежных реконфигурируемых систем для обеспечения скорости передачи данных до десятков Гбит/c. Обеспечение таких высоких скоростей передачи данных становится возможным за счет использования более широкой полосы частот передаваемых сигналов. Одним из существующих подходов к решению такой задачи является увеличение «физической» частоты передаваемых информационных сигналов до 25-300 ГГц, что является достаточным для достижения требуемых скоростей.
Методы. В данной статье предложен метод оценки качества высокоскоростных линий передачи сигнала на базе определения таких стандартизированных методов анализа параметров передачи сигнала, как JCOM, S-параметров и BER, которые позволяют оценивать высокоскоростные линии передачи связи. Так, для оценки качества цифрового канала связи может использоваться параметр JCOM (the Channel Operating Margin (COM)/JCOM) – стандартизированный метод определения общего показателя качества канала. Для оценки затухания и потерь информационного сигнала в тракте, когда отраженные от неоднородностей копии сигнала воздействуют на оригинал и приводят к его искажению, используются известные методы оценки таких параметров передачи сигнала, как коэффициент отражения S11 и коэффициент ослабления S21 (S-Parameters). Моделирование такого параметра, как интенсивность битовых ошибок Bit Error Rate (BER) происходит согласно методике нормирования и контроля качества G.821/G.826/M2100.
Результаты. На основе оценки таких параметров передачи сигнала, как Channel Operating Margin (COM), S-параметров и Bit Error Rate (BER) были выбраны основные метрики для оценки качества высокоскоростных линий передачи сигнала. Были получены численные оценки параметров передачи сигнала и оценено их влияние на конструктивные параметры высокоскоростных линий передачи сигнала. В частности, для скорости передачи данных менее 25 Гбит/с рекомендуется использовать не менее 1 переходного отверстия между экранирующими полигонами в GND-разделительных слоях через каждые 0,5 см или на 0,25 см2 площади МПП. Рекомендуется использовать не менее 2-х переходных отверстий между экранирующими полигонами в GND-разделительных слоях через каждые 0,5 см или на 0,25 см2 площади МПП, если высокоскоростная линия передачи сигнала проходит на расстоянии ближе 2,5 см от цепей питания в проекции на слой, где расположены цепи питания.
Заключение. В статье предложен метод расчета параметров передачи сигнала в высокоскоростных линиях передачи сигналов на базе расчета параметров Channel Operating Margin (COM), S-параметров и Bit Error Rate (BER). В рамках предложенного метода был проведен анализ параметров передачи сигнала, который показал, что при соблюдении «эталонных» значений электрических параметров линии наибольший вклад в искажение сигнала вносят переводные отверстия, затем слои, в которых расположена сигнальная линия, количество экранирующих полигонов между сигнальными слоями и слоями, в которых проходят цепи питания, конструктивные параметры переходных отверстий, а также длина и количество сегментов высокоскоростной линии. Были даны численные оценки минимального количества переходных отверстий и их диаметра, длины сегментов дифференциальных пар. Данные результаты могут быть использованы на этапе пред-проектного моделирования (pre-layout analysis) высокоско-ростных линий передачи сигнала для вычислительных модулей высоконадежных реконфигурируемых систем.

1. Time-Domain Channel Specification: Proposal for Backplane Channel Characteristic Sections / R. Mellitz, C. Moore, M. Dudek, M. Li, A. Ran // Meeting, San Diego, CA, 2012.

2. Common Electrical I/O (CEI) – Electrical and Jitter Interoperability agreements for 6G+ bps, 11G+ bps and 25G+ bps I/O, OIF-CEI-03.1.

3. Mellitz R., Intel, Various Topics for Computing Channel Operating Margin (COM), 2014.

4. Stephan H., Howard L., Advanced Signal Integrity for High-Speed Digital Designs, 2009.

5. Brown M. et. al. The state of IEEE 802.3bj 100 Gb/s Backplane Ethernet, DesignCon, 2014.

6. Суанов Т. А. Моделирование высокоскоростных линий передачи в многослойных печатных платах // Известия Южного федерального университета. Технические науки. 2013. № 11 (148). P. 186-194.

7. Описание программного обеспечения для электродинамического 3D моделирования Ansys HFSS. URL: https://www.ansys.com/products/electronics/ansys-hfss (дата обращения: 10.12.2019)

8. Horn A. Dielectric constant and loss of selected grades of Rogers high frequency circuit substrates from 1-50 GHz // Rogers Corporation Technical Report 5788. 2003.

9. Signal transmission loss due to copper surface roughness in high-frequency region / E. Liew [et al.] // Association Connecting Electronics Industries, IPC APEX EXPO, 2014: New Ideas... For New Horizons, Las Vegas. 2014.

10. Design of wideband waveguide to microstrip transition for 60 GHz frequency band. / A. Artemenko [et al.] // Proceedings of 41st European Microwave Conference (EuMC), Manchester, UK. 2011. P. 838-841. https://doi.org/10.23919/EuMC.2011.6101966

11. Трифоненко И. М. и др. Обзор систем сквозного проектирования печатных плат радиоэлектронных средств // Труды Международного симпозиума «Надежность и качество». Пенза, 2012. Т. 1. С. 396-399.

12. Simulation Model to Predict BER Based on S-Parameters of High-Speed Interconnects / L. Pizano-Escalante, O. Longoria-Gandara, R. Parra-Michel, F. Peña-Campos // IEEE Design & Test. 2012. Vol. 36. P. 31-39.

13. Wideband Probe-Type Waveguide-to-Microstrip Transition for V-band Applications / O. Soykin [et al.] // Proceedings of 46th European Microwave Conference (EuMC). 2016. P. 1-4.

14. Wideband Probe-Type Waveguide-To-Microstrip Transition for 28 GHz Applications / A. Mozharovskiy [et al.] // 48th European Microwave Conference (EuMC), Madrid, Spain. 2018. P. 113-116.

15. Top-Layer Wideband Transition from Waveguide to Planar Differential Line for 60 GHz Ap-plications / S. Churkin [et al.] // 48th European Microwave Conference (EuMC), Madrid, Spain. 2018. P. 663-666.

16. Xinfeng D. An Integrated Millimeter-Wave Broadband Microstrip-to-Waveguide Vertical Transition Suitable for Multilayer Planar Circuits // IEEE Microwave and Wireless Components Letters. 2016. Vol. 26, Iss. 11. P. 897-899. https://doi.org/10.1109/LMWC.2016.2614973

17. Antonini G., Scogna A., Orlandi A. S-parameters characterization of through, blind, and buried via holes // IEEE Transactions on Mobile Computing, 2003. Vol. 2. P. 174–184.