技術(shù)干貨 | DAC信號(hào)完整性淺析

隨著物聯(lián)網(wǎng)、人工智能、云計(jì)算、大數(shù)據(jù)應(yīng)用的迅速興起，服務(wù)器、路由器、交換機(jī)和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)設(shè)備的數(shù)據(jù)傳輸速率在不斷增長(zhǎng)，數(shù)據(jù)中心面臨高帶寬、高可靠性和低延時(shí)的挑戰(zhàn)，尤其對(duì)高達(dá)800G的數(shù)據(jù)傳輸要求就更高。

要實(shí)現(xiàn)高數(shù)據(jù)傳輸，就需要經(jīng)濟(jì)高效、穩(wěn)定可靠的數(shù)據(jù)傳輸線纜及連接器。DAC高速線纜擁有較高的簡(jiǎn)便性和靈活性以及低功耗等優(yōu)勢(shì)，是實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)中心短距離高速率傳輸?shù)母咝詢r(jià)比解決方案。

800G QSFP-DD800 DAC數(shù)據(jù)速率高達(dá)800Gbps，采用8路112Gbps PAM4調(diào)制。單路112Gbps的高速率傳輸，意味著更快的上升沿和更高的帶寬，這必然會(huì)為信號(hào)完整性帶來極大的挑戰(zhàn)。要滿足所需的插損、回?fù)p、TDR和串?dāng)_等，必然要進(jìn)行高速信號(hào)完整性仿真。

高速信號(hào)完整性仿真需要線纜模型和QSFP-DD800連接器模型，由于供應(yīng)商不會(huì)提供這兩個(gè)模型，導(dǎo)致仿真遇到極大的困難，目前主要的解決方法有以下3種：

DAC信號(hào)完整性解決方案

方案一

只對(duì)高速線、信號(hào)過孔、電容進(jìn)行仿真；線纜焊接和QSFP-DD800連接器（與金手指相連接）不進(jìn)行仿真，而是依靠經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)；

方案二

對(duì)高速線、信號(hào)過孔、電容、線纜焊盤和QSFP-DD800連接器焊盤進(jìn)行仿真，不建立線纜和QSFP-DD800連接器的等效模型，直接在線纜焊盤和QSFP-DD800連接器焊盤位置加激勵(lì)端口進(jìn)行仿真；

方案三

對(duì)高速線、信號(hào)過孔、電容、線纜焊接和QSFP-DD800連接器進(jìn)行仿真，需要對(duì)線纜和QSFP-DD800連接器建立等效模型。

方案面臨的挑戰(zhàn)

挑戰(zhàn)一

線纜焊接和QSFP-DD800連接器是阻抗失配最嚴(yán)重的兩個(gè)位置，依靠經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)而不進(jìn)行信號(hào)完整性仿真將無(wú)法評(píng)估真實(shí)的性能。阻抗失配程度、高頻的插損/回?fù)p值以及是否出現(xiàn)諧振等關(guān)鍵信息均無(wú)法獲取，整個(gè)設(shè)計(jì)處于一種性能不確定的狀態(tài)，這是一種巨大的風(fēng)險(xiǎn)，不僅會(huì)增大研發(fā)難度，還會(huì)增加研發(fā)成本以及延長(zhǎng)研發(fā)周期；

挑戰(zhàn)二

直接在線纜焊盤和QSFP-DD800連接器焊盤位置加激勵(lì)端口進(jìn)行仿真，是一個(gè)簡(jiǎn)單的評(píng)估方法，相比方案一會(huì)有改善，但線纜焊盤和QSFP-DD800連接器焊盤的低阻抗會(huì)使仿真結(jié)果失真，而且仿真模型與實(shí)際模型差異太大導(dǎo)致丟失非常多的細(xì)節(jié)信息（如線纜懸空、線纜與焊盤的焊接、QSFP-DD800連接器引腳末端懸空、QSFP-DD800連接器與焊盤的接觸導(dǎo)致信號(hào)的并聯(lián)傳輸?shù)?，這些關(guān)鍵信息都會(huì)對(duì)仿真結(jié)果造成很大的影響），最終導(dǎo)致仿真結(jié)果失真，影響信號(hào)完整性的評(píng)估；

挑戰(zhàn)三

雖然對(duì)線纜焊接和QSFP-DD800連接器進(jìn)行信號(hào)完整性仿真可以幫助評(píng)估性能，但是等效模型的設(shè)計(jì)質(zhì)量將決定所評(píng)估性能的真實(shí)性。部分等效模型只考慮了真實(shí)性，部分等效模型只考慮了等效性，絕大部分的等效模型沒有同時(shí)考慮真實(shí)性和等效性，這會(huì)導(dǎo)致仿真結(jié)果失真，從而使性能評(píng)估出現(xiàn)偏差，嚴(yán)重時(shí)甚至?xí)贸鲥e(cuò)誤的結(jié)論。如何在真實(shí)性和等效性之間取得平衡是高速信號(hào)完整性仿真的難點(diǎn)與關(guān)鍵點(diǎn)。

克服挑戰(zhàn)的技術(shù)手段技術(shù)

手段一：建立QSFP-DD800連接器的仿真模型——平衡真實(shí)性和等效性

1.  平衡QSFP-DD800連接器仿真模型的真實(shí)性和等效性的信號(hào)完整性仿真方法；

2. 還原QSFP-DD800連接器真實(shí)模型的處理方法；

3. QSFP-DD800連接器等效模型的設(shè)計(jì)與仿真優(yōu)化方法。

技術(shù)手段二：建立線纜的仿真模型——平衡真實(shí)性和等效性

1.  平衡線纜仿真模型的真實(shí)性和等效性的信號(hào)完整性仿真方法；

2. 還原線纜真實(shí)模型的處理方法；

3. 線纜等效模型的設(shè)計(jì)與仿真優(yōu)化方法。

技術(shù)手段三：線纜焊盤出線位置作容性補(bǔ)償——避免高速線阻抗被拉高造成阻抗嚴(yán)重失配

1. 作容性補(bǔ)償?shù)木匦毋~皮設(shè)計(jì)；

2. 容性補(bǔ)償同時(shí)改善2個(gè)阻抗不連續(xù)點(diǎn)（焊盤阻抗點(diǎn)與出線差分對(duì)阻抗點(diǎn)）的信號(hào)完整性仿真方法。

附圖說明

圖1：QSFP-DD800連接器等效模型的插損曲線

圖2：QSFP-DD800連接器等效模型的TDR曲線

圖3：線纜等效模型的插損曲線

圖4：線纜等效模型的TDR曲線

圖5：矩形銅皮容性補(bǔ)償對(duì)比