使用合適的電纜組件確保高速數據通信中的信號完整性

作者：Art Pini

電子系統架構需要更快的數據傳輸速率和更高級別的調制方案，而且外形要更加緊湊。這就使印刷電路板（PC 板）的布局變得復雜，因為設計人員要盡量減少傳輸線路損耗，降低對噪聲、反射和串擾的敏感性，以保持信號完整性并滿足最大誤碼率 (BER) 要求。此外，IC 之間或板對板連接器之間的電氣或光學多通道信號也要求盡量減少信號扭曲，尤其是差分信號對中。

滿足這些需求的一種方法是使用高速電纜組件，而不是僅僅依靠印刷電路板跡線，這樣就可以使用標準電路板基板，從而避免更高的成本。這些組件采用單端和差分配置、先進材料，以及可提供出色信號完整性的技術，并支持在銅線或光纖中實現高密度的多通道信號路徑。有些實施方案的工作速率高達 64 Gbps。

本文將討論推動更高速度需求的因素，以及如何滿足這種需求。然后介紹 [Samtec] 的高速電纜組件，并說明了其性能和用途。

對速度的需求

世界渴望更快的通信速度。5G 和 6G 蜂窩、人工智能 (AI)、量子計算和“大數據”等應用推動了新系統架構的出現，要求更高的帶寬和更快的傳輸速率，同時還要縮小設備和系統的尺寸。這些不斷發展的技術不僅要求互連器件提供更高的信號完整性，而且還要求能夠在存在噪聲、串擾、反射、電磁干擾以及其他損耗和干擾源的情況下維持高信噪比 (SNR)。

更高的速度要求改變連接技術。首先，單端信號傳輸正在被差分信號連接取代，前者的數據由指向返回路徑（通常稱為“接地”）的單根導線傳輸，而后者則是通過兩根導線傳輸 180? 相位差的數據信號。差分信號通過抑制兩個導體共有的噪聲（共模噪聲）來提高信噪比。其次，數據編碼正在從每個時鐘周期單比特、非歸零 (NRZ) 編碼向每個時鐘周期多比特編碼轉變，例如四電平脈沖幅度調制 (PAM4)，它可在每個時鐘周期編碼四個不同的電平或兩個比特（圖 1）。

圖 1：NRZ 數據的眼圖（右）在每個時鐘周期有兩種可能的狀態：1 或 0；PAM4（左）在每個時鐘周期有四種可能的狀態：00、01、10 和 11。（圖片來源：Art Pini）

PAM4 使用編碼為 00、01、10 或 11 的四個電平將兩比特的數據打包至每個時鐘周期。這使固定時鐘速率下的數據傳輸速率提高了一倍，但由于數據狀態之間的幅度變化較小而降低了信噪比。因此，PAM4 信號傳輸需要更高級別的信號完整性。

傳輸線路性能表征

無論是印刷電路還是電纜，傳輸線路性能通常都是在頻域中通過散射參數（S 參數）來表征。S 參數根據在輸入端和輸出端觀察到的電氣行為來描述設備的特性，無需了解設備內部的具體元器件。有多種基于測得的 S 參數的品質因數 (FoM) 用于描述電纜等雙端口設備。使用最多的 FoM 是：

• 插入損耗： 信號從電纜的輸入端傳播到輸出端所經歷的衰減，以分貝 (dB) 表示（理想傳輸線路的插入損耗為 0 dB）
• 回波損耗： 因輸出端阻抗不匹配導致信號反射而產生的損耗（單位為 dB）
• 串擾： 用于衡量因相鄰線路而耦合到傳輸線路中的無用信號（單位為 dB）

其他值得關注的 FoM 包括傳輸線路的傳播延遲和時間偏移。傳播延遲是指信號在傳輸線路中傳播的時間延遲。時間偏移是指兩條或更多傳輸線路上的信號之間的時間差。

傳輸線路選件

使用傳統印刷電路板基板設計方法，難以經濟高效地滿足現代數據通信標準對高頻多通道配置的 FoM 要求。為了解決這一問題，Samtec Inc. 利用其專有的 Eye Speed 微型同軸電纜和雙軸電纜開發了高速電纜組件，這些電纜以其低損耗和出色的信號完整性而著稱。它們集成到多通道電纜組件中，因其獨特的結構而提供卓越的性能（圖 2）。

圖 2：Eye Speed 微型同軸電纜（左）和雙軸電纜（右）的詳細結構，這些電纜以其低損耗和高信號完整性而著稱。（圖片來源：Samtec）

Eye Speed 同軸電纜采用 26 至 28 美國線規 (AWG) 中心絞合導體。這種同軸電纜結構具有柔韌性高、重量輕和體積小的特點，這對于較長的線路尤為重要。

電介質由低介電常數、空氣發泡的氟化乙丙烯橡膠 (FEP) 固態擠出而成。發泡會導致空氣侵入，從而提高信號速度。該電纜系列提供金屬包覆屏蔽層、膠帶屏蔽層或編織屏蔽層選擇，以提高信號完整性。

Eye Speed 雙軸電纜結構采用 28 至 36 AWG 鍍銀銅導體。導線尺寸越大，插入損耗就越低，尺寸越小，柔韌性就越高。共擠出電介質可提高信號完整性和帶寬，實現 28 至 112 Gbps 的傳輸速率。緊湊型設計使信號導體之間的耦合更緊密并使間隙更小，從而減小電纜組件內的間距。對于時鐘頻率為 14 GHz 的數據 (56 Gbps PAM4)，0.25 m Eye Speed 雙軸電纜的插入損耗介于 -1 到 -2.2 dB 之間，具體取決于導線直徑。雙軸電纜導體之間的時間偏移小于 3.5 ps/m。這兩種電纜都支持 Samtec 的 Flyover 技術。

什么是 Flyover 技術？

Samtec 的 Flyover 技術使用高帶寬和低損耗的 Eye Speed 電纜組件取代板載總線結構，能夠大幅降低損耗（圖 3）。

圖 3：與低損耗或超低損耗背板材料相比，Flyover 技術使用 Eye Speed 電纜，不僅能大幅降低損耗，而且還能實現 14 GHz 和 28 GHz 的時鐘速率。（圖片來源：Samtec）

通過減少電路板層數，Flyover 技術簡化了數據速率超過 28 Gbps 的電路板布局。此外，該技術還允許使用價格更低的印刷電路板材料。

Samtec 電纜組件

有多種 Eye Speed 微型同軸電纜和雙軸電纜組件可供選擇。這些電纜以高密度陣列的形式提供，并具有完整接地平面、無極性連接器、應力消除，以及各種連接和閉鎖選件等特性。

例如，[ARC6-16-06.0-LU-LD-2-1] 是一種細長的插頭對插頭直連電纜組件，有 16 個152.4 mm 長的信號對，支持 64 Gbps PAM4 信號傳輸（圖 4）。

圖 4：ARC6-16-06.0-LU-LD-2-1 是一種直連電纜組件，具有 16 個差分信號對，支持 64 Gbps PAM4 信號傳輸。（圖片來源：Samtec）

該組件包括 16 根超低偏斜雙軸電纜，這些電纜采用高密度雙排設計，具有 32 個間距為 0.635 mm 的觸點。觸點直接焊接在雙軸導體上，可實現最佳的信號完整性。電纜為 100 Ω 差分電纜，采用 34 AWG 導線，有 8 對和 24 對兩種配置。其工作溫度范圍為 -40°C 至 +125°C。

[ERCD-020-12-00-TEU-TED-1-B]是一種卡邊對卡邊電纜組件，由兩排 20 根單端 50 Ω 同軸電纜和一個 40 觸點連接器組成（圖 5）。該電纜長度為 305 mm。

圖 5：ERCD-020-12-00-TEU-TED-1-B 電纜組件采用單端同軸電纜和 34 AWG 中心導體。觸點間距為 0.80 mm。（圖片來源：Samtec）

同軸線采用布置成帶狀電纜的 34 AWG 中心導體。連接器間距為 0.80 mm。這些電纜設計用于處理 14 Gbps 信號。連接器采用擠壓閂鎖機構，可確保配接牢固。該組件還可選擇每排 10 至 60 根電纜，以及各種閉鎖機構。其工作溫度范圍均為 -25°C 至 +105°C。

[HLCD-20-40-00-TR-TR-2] 電纜組件采用兩排 10 根 50 Ω 單端電纜，電纜長度為 1.02 m。具有四十個觸點，觸點間距為 0.5 mm（圖 6）。

圖 6：HLCD-20-40.00-TR-TR-2 電纜組件采用自配接無極性連接器。（圖片來源：Samtec）

無極性連接器的插針和插口可與相同的連接器配接在一起。用于不需要觸點極化的應用場合，例如雙向數據對。

HLCD-20-40.00-TR-TR-2 提供標準或擴展工作溫度范圍選擇，分別為 -25°C 至 +105°C 或 -40°C 至 +125°C。

[HQDP-020-12-00-TTL-TEU-5-B] 電纜組件采用雙排 100 Ω 30 AWG 雙軸電纜。該組件長 305 mm，有 20 根電纜，使用插頭對卡邊連接器，額定傳輸速率為 14 Gbps（圖 7）。

圖 7：HQDP-020-12-00-TTL-TEU-5-B 組件由一個插頭對卡邊連接器和雙排 100 Ω 雙軸電纜組成。（圖片來源：Samtec）

該系列可選擇 20、40 或 60 根電纜以及各種表面和邊緣安裝連接器，連接器間距為 0.5 mm。

總結

更高的數據傳輸速率需求促使設計人員不斷尋求創新方法來確保信號完整性。與 Samtec 合作可使設計人員突破傳統多通道印刷電路板信號總線的限制，利用各種高性能、高性價比的柔性電纜組件，滿足甚至超出當今通信應用的規格要求。

審核編輯 黃宇