如今，地理定位制圖、無人機(UAV)視頻流、光成像檢測與測距(LiDAR)傳感，以及其他數據密集型航空應用，對于快速數據傳輸有著幾乎無限的需求。飛行員們們希望即時了解:軌跡是否清晰?方向是否正確?飛行路線上是否存在障礙物?
要想實時提供這些問題的答案，嵌入的系統和電子設備采用的互連技術就必須比商業級解決方案更為強大，同時支持高速協議(10Gb以太網、USB3.0、 InfiniBand)和高速總線(VPX、PCI Express-PCIe)。 為了幫助開發人員應對這些挑戰，TE總結了五大設計原則，以便利用強大的互連接口支持高速數據傳輸并保持信號的完整性。
保證信號的完整性
在項目開始的時候，我們就要將互連接口視為整個系統的重要組成部分，而不是最后一刻才補充考慮。每一個連接都很重要，因為每一個等級的電子封裝都要求互連接口能夠保證信號的完整性。在六個不同的電子封裝等級上，每一個互連接口都必須能夠保證數據速率和性能:
·第 1 級:基本電路元件與其引線之間的連接。
·第 2 級:組件引線與印刷電路板(PCB)之間的連接，例如:集成電路(IC)插座。
·第 3 級:兩個電路板之間的連接，一般是板對板連接，需要使用一體化卡邊連接器、兩件式連接器或堆疊式連接器。
·第 4 級:兩個分總成之間的連接，一般使用電線和電纜，當設備在其外殼中有多個分總成時則需要使用插頭。
·第 5 級:分總成與系統輸入/輸出(I/O)端口之間的連接，一般通過電纜或直連(例如:板載隔板連接器)方式與分總成連接。
·第 6 級:物理上分離的系統之間的連接，一般使用銅纜或光纖將分離系統的I/O端口與其他設備、外圍設備或網絡交換機連接。也可能需要使用天線進行無線連接。
實現信號路徑的電氣優化
信號進出電路或組件時，其強度都會有所損耗。這種信號衰減稱為“插入損耗”，以分貝(dB)計量，它是每個互連接口機電屬性的固有副作用。總插入損耗是多種因素的共同產物，這些因素包括:阻抗不匹配、導體損耗(信號線路導體引起的能量損耗)和介電損耗(介電材料本身引起的能量損耗)。
盡管插入損耗無法完全消除，但設計人員可以選擇那些對信號完整性影響最小的材料和設計的互連接口。例如，在高速應用中，設計人員一般會選用插入損耗額定值為 –1 分貝甚至更低的連接器，以確保足夠的信號強度。設計人員在確定特定應用的可接受通道電平時，還需要考慮傳輸線路中影響信號完整性的其他因素。
確保阻抗和路徑長度匹配
當互連接口對電流的電阻或電抗不同于電路的其余部分時，就會導致阻抗不連續或失配。阻抗失配會引起信號反射，從而影響信號沿線路傳輸時的完整性。有一種信號反射叫“回波損耗”，它是由于阻抗失配而被反射回信號源的能量。
除非組件本身是定制的，否則設計人員通常無法更改連接器或電纜的阻抗。因此，我們的設計目標通常是使互連接口的阻抗與參考環境的阻抗相匹配。例如，在75Ω系統中，75Ω連接器比50Ω連接器更具電隱形性。
選擇那些幾何形狀或介電材料能夠盡量降低阻抗失配的觸點、電纜及其他元件，這是保持信號完整性的第一步。第二步則是統一管理所有組件到組件的過渡區域， 包括焊點、壓接點和導線到連接器的過渡區域。盡管我們可以為特定傳輸路徑確定可接受的回波損耗最大值和最小值，但目標頻帶內的回波損耗值一般都低于–10分貝。
當互連接口使用兩個或多個并行信號路徑時(例如:差分對信令)，路徑長度也變得很重要。在這種情況下，電氣路徑長度必須精確匹配。否則，每個信號通過互連接口傳播花費的時間將會有所不同，因此而產生的傳播時延稱為差分對的“偏移”，它將對系統時序產生負面影響，并將增加插入損耗、阻抗失配和串擾。
注意串擾
信號的完整性是高千兆位數據傳輸速率及相應千兆赫茲頻率所面臨的主要問題。在較低速度的串行信號傳輸中，連接器和電纜具有電透明性，對信號質量影響不大，因為信號遵循從發射機到接收機的傳輸路徑。但是，由于串行信道進行了并行配置以提高數據速率，因此會出現問題。
攻擊信道和附近的并行受害信道的導體之間發生電感和電容耦合，于是快速變化的電場發出噪聲，我們稱之為“串擾”。在高速系統中，近端串擾(NEXT)和遠端串擾(FEXT)分別影響信號的發射端和接收端。布線時，將電線以180°的方向絞在一起可以使噪聲發射彼此異相，從而消除噪聲。但是，在較高頻率下，雙絞線電纜必須進行屏蔽，以滿足串擾方面的要求。
對于高速 I/O 有線連接器，我們還可以采用其他減少串擾的措施，例如:
·使用特殊設計的觸點，而非開放式引腳區域并排沖壓觸點，因為后者產生的平行金屬表面區域容易發生串擾
·優化高速差動觸點和接地之間的間距
·將重要引腳設計為返回路徑(接地)，最大程度地減少不必要的耦合
其他互連和板級技術也可用于減少串擾，這是一個復雜的課題，其目標是根據所需的串擾水平選擇合適的技術。串擾水平的范圍為1%-10%，使用時域反射計測量并利用信號眼圖進行分析。
不只是連接器
在追求更高的數據速率和更快的頻率時，每一個互連接口都很重要。不過，整個信道的設計也非常重要，尤其是在VPX背板中使用的信道。連接器附近優化而一致的PCB 特性，對于保持高速性能極其重要。在電路板設計中，對于提高數據速率至關重要的因素包括:
·電路板材料:介電常數，玻璃編織布、尺寸和均勻性，銅的光滑度或粗糙度。
·通孔設計:回鉆，盲孔，埋入式微孔，或雙直徑通孔。
·隔板布局:隔板尺寸，中間設計，偏移補償。
·跡線布線:焊盤尺寸，跡線寬度與損耗，跡線至隔板的間隙。
在對PCB進行優化時，設計人員不應將一切視為理所當然。PCB設計分析，減小連接器足跡，優化通孔，還有采用無短截線的更好PCB材料，這些都可以發揮作用。
評估各項因素，確保從背板到盒對盒連接的無縫集成和信號完整性，這是一個復雜的課題，正如本文探討的互連接口設計的其他方面一樣。為了簡化設計人員的工作，TE Connectivity提供了一個高速應用開發套件，其中涵蓋了關鍵設計因素和互連產品選項。
通過該套件的在線菜單，我們可以快速獲取I/O有線、板對板、射頻(RF)連接器以及電纜和光纖的產品規格、圖紙和目錄。該工具使得設計人員能夠主動采取措施，滿足嚴苛的國防和航空航天應用對于速度的需求。
作者簡介
Matt擁有機械工程學位，在航空航天、國防和電子計算行業積累了23年以上的豐富經驗。Matt擁有超過35項連接方面的技術專利。
*TE Connectivity, TE, TE Connectivity標識是TE Connectivity擁有或許可的商標。
