使用合适的电缆组件确保高速数据通信中的信号完整性

作者：Art Pini

电子系统架构需要更快的数据传输速率和更高级别的调制方案，而且外形要更加紧凑。这就使印刷电路板（PC 板）的布局变得复杂，因为设计人员要尽量减少传输线路损耗，降低对噪声、反射和串扰的敏感性，以保持信号完整性并满足最大误码率 (BER) 要求。此外，IC 之间或板对板连接器之间的电气或光学多通道信号也要求尽量减少信号扭曲，尤其是差分信号对中。

满足这些需求的一种方法是使用高速电缆组件，而不是仅仅依靠印刷电路板迹线，这样就可以使用标准电路板基板，从而避免更高的成本。这些组件采用单端和差分配置、先进材料，以及可提供出色信号完整性的技术，并支持在铜线或光纤中实现高密度的多通道信号路径。有些实施方案的工作速率高达 64 Gbps。

本文将讨论推动更高速度需求的因素，以及如何满足这种需求。然后介绍 [Samtec] 的高速电缆组件，并说明了其性能和用途。

对速度的需求

世界渴望更快的通信速度。5G 和 6G 蜂窝、人工智能 (AI)、量子计算和“大数据”等应用推动了新系统架构的出现，要求更高的带宽和更快的传输速率，同时还要缩小设备和系统的尺寸。这些不断发展的技术不仅要求互连器件提供更高的信号完整性，而且还要求能够在存在噪声、串扰、反射、电磁干扰以及其他损耗和干扰源的情况下维持高信噪比 (SNR)。

更高的速度要求改变连接技术。首先，单端信号传输正在被差分信号连接取代，前者的数据由指向返回路径（通常称为“接地”）的单根导线传输，而后者则是通过两根导线传输 180˚ 相位差的数据信号。差分信号通过抑制两个导体共有的噪声（共模噪声）来提高信噪比。其次，数据编码正在从每个时钟周期单比特、非归零 (NRZ) 编码向每个时钟周期多比特编码转变，例如四电平脉冲幅度调制 (PAM4)，它可在每个时钟周期编码四个不同的电平或两个比特（图 1）。

图 1：NRZ 数据的眼图（右）在每个时钟周期有两种可能的状态：1 或 0；PAM4（左）在每个时钟周期有四种可能的状态：00、01、10 和 11。（图片来源：Art Pini）

PAM4 使用编码为 00、01、10 或 11 的四个电平将两比特的数据打包至每个时钟周期。这使固定时钟速率下的数据传输速率提高了一倍，但由于数据状态之间的幅度变化较小而降低了信噪比。因此，PAM4 信号传输需要更高级别的信号完整性。

传输线路性能表征

无论是印刷电路还是电缆，传输线路性能通常都是在频域中通过散射参数（S 参数）来表征。S 参数根据在输入端和输出端观察到的电气行为来描述设备的特性，无需了解设备内部的具体元器件。有多种基于测得的 S 参数的品质因数 (FoM) 用于描述电缆等双端口设备。使用最多的 FoM 是：

• 插入损耗： 信号从电缆的输入端传播到输出端所经历的衰减，以分贝 (dB) 表示（理想传输线路的插入损耗为 0 dB）
• 回波损耗： 因输出端阻抗不匹配导致信号反射而产生的损耗（单位为 dB）
• 串扰： 用于衡量因相邻线路而耦合到传输线路中的无用信号（单位为 dB）

其他值得关注的 FoM 包括传输线路的传播延迟和时间偏移。传播延迟是指信号在传输线路中传播的时间延迟。时间偏移是指两条或更多传输线路上的信号之间的时间差。

传输线路选件

使用传统印刷电路板基板设计方法，难以经济高效地满足现代数据通信标准对高频多通道配置的 FoM 要求。为了解决这一问题，Samtec Inc. 利用其专有的 Eye Speed 微型同轴电缆和双轴电缆开发了高速电缆组件，这些电缆以其低损耗和出色的信号完整性而著称。它们集成到多通道电缆组件中，因其独特的结构而提供卓越的性能（图 2）。

图 2：Eye Speed 微型同轴电缆（左）和双轴电缆（右）的详细结构，这些电缆以其低损耗和高信号完整性而著称。（图片来源：Samtec）

Eye Speed 同轴电缆采用 26 至 28 美国线规 (AWG) 中心绞合导体。这种同轴电缆结构具有柔韧性高、重量轻和体积小的特点，这对于较长的线路尤为重要。

电介质由低介电常数、空气发泡的氟化乙丙烯橡胶 (FEP) 固态挤出而成。发泡会导致空气侵入，从而提高信号速度。该电缆系列提供金属包覆屏蔽层、胶带屏蔽层或编织屏蔽层选择，以提高信号完整性。

Eye Speed 双轴电缆结构采用 28 至 36 AWG 镀银铜导体。导线尺寸越大，插入损耗就越低，尺寸越小，柔韧性就越高。共挤出电介质可提高信号完整性和带宽，实现 28 至 112 Gbps 的传输速率。紧凑型设计使信号导体之间的耦合更紧密并使间隙更小，从而减小电缆组件内的间距。对于时钟频率为 14 GHz 的数据 (56 Gbps PAM4)，0.25 m Eye Speed 双轴电缆的插入损耗介于 -1 到 -2.2 dB 之间，具体取决于导线直径。双轴电缆导体之间的时间偏移小于 3.5 ps/m。这两种电缆都支持 Samtec 的 Flyover 技术。

什么是 Flyover 技术？

Samtec 的 Flyover 技术使用高带宽和低损耗的 Eye Speed 电缆组件取代板载总线结构，能够大幅降低损耗（图 3）。

图 3：与低损耗或超低损耗背板材料相比，Flyover 技术使用 Eye Speed 电缆，不仅能大幅降低损耗，而且还能实现 14 GHz 和 28 GHz 的时钟速率。（图片来源：Samtec）

通过减少电路板层数，Flyover 技术简化了数据速率超过 28 Gbps 的电路板布局。此外，该技术还允许使用价格更低的印刷电路板材料。

Samtec 电缆组件

有多种 Eye Speed 微型同轴电缆和双轴电缆组件可供选择。这些电缆以高密度阵列的形式提供，并具有完整接地平面、无极性连接器、应力消除，以及各种连接和闭锁选件等特性。

例如，[ARC6-16-06.0-LU-LD-2-1] 是一种细长的插头对插头直连电缆组件，有 16 个152.4 mm 长的信号对，支持 64 Gbps PAM4 信号传输（图 4）。

图 4：ARC6-16-06.0-LU-LD-2-1 是一种直连电缆组件，具有 16 个差分信号对，支持 64 Gbps PAM4 信号传输。（图片来源：Samtec）

该组件包括 16 根超低偏斜双轴电缆，这些电缆采用高密度双排设计，具有 32 个间距为 0.635 mm 的触点。触点直接焊接在双轴导体上，可实现最佳的信号完整性。电缆为 100 Ω 差分电缆，采用 34 AWG 导线，有 8 对和 24 对两种配置。其工作温度范围为 -40°C 至 +125°C。

[ERCD-020-12-00-TEU-TED-1-B]是一种卡边对卡边电缆组件，由两排 20 根单端 50 Ω 同轴电缆和一个 40 触点连接器组成（图 5）。该电缆长度为 305 mm。

图 5：ERCD-020-12-00-TEU-TED-1-B 电缆组件采用单端同轴电缆和 34 AWG 中心导体。触点间距为 0.80 mm。（图片来源：Samtec）

同轴线采用布置成带状电缆的 34 AWG 中心导体。连接器间距为 0.80 mm。这些电缆设计用于处理 14 Gbps 信号。连接器采用挤压闩锁机构，可确保配接牢固。该组件还可选择每排 10 至 60 根电缆，以及各种闭锁机构。其工作温度范围均为 -25°C 至 +105°C。

[HLCD-20-40-00-TR-TR-2] 电缆组件采用两排 10 根 50 Ω 单端电缆，电缆长度为 1.02 m。具有四十个触点，触点间距为 0.5 mm（图 6）。

图 6：HLCD-20-40.00-TR-TR-2 电缆组件采用自配接无极性连接器。（图片来源：Samtec）

无极性连接器的插针和插口可与相同的连接器配接在一起。用于不需要触点极化的应用场合，例如双向数据对。

HLCD-20-40.00-TR-TR-2 提供标准或扩展工作温度范围选择，分别为 -25°C 至 +105°C 或 -40°C 至 +125°C。

[HQDP-020-12-00-TTL-TEU-5-B] 电缆组件采用双排 100 Ω 30 AWG 双轴电缆。该组件长 305 mm，有 20 根电缆，使用插头对卡边连接器，额定传输速率为 14 Gbps（图 7）。

图 7：HQDP-020-12-00-TTL-TEU-5-B 组件由一个插头对卡边连接器和双排 100 Ω 双轴电缆组成。（图片来源：Samtec）

该系列可选择 20、40 或 60 根电缆以及各种表面和边缘安装连接器，连接器间距为 0.5 mm。

总结

更高的数据传输速率需求促使设计人员不断寻求创新方法来确保信号完整性。与 Samtec 合作可使设计人员突破传统多通道印刷电路板信号总线的限制，利用各种高性能、高性价比的柔性电缆组件，满足甚至超出当今通信应用的规格要求。

审核编辑 黄宇