對于200Mbps以上速率的信號，如果忽略寄生阻抗和阻抗不連續(xù)性的問題，將會在傳輸線上產(chǎn)生增加性噪音，并出現(xiàn)資料位元誤碼。本文將以基礎型高畫質(zhì)數(shù)字視頻路由器的處理方式為例，詳細解說上述問題。

當資料傳輸速率位于400Mbps至1.5Gbps之間時，信號路徑（signal path）就會形成傳輸線（transmission line）。在這個傳輸速度范圍內(nèi)，信號路徑模型必須包括電纜或底板中的電抗性寄生分量。高速資料傳輸帶來的問題不僅僅是資料傳輸速率本身的問題，快速的信號邊緣變換率包含甚至更高的頻率分量，這些高頻分量在分布式阻抗環(huán)境中的傳輸性能更差。對于200Mbps以上速率的信號，如果忽略寄生阻抗和阻抗不連續(xù)性的問題，將會在傳輸線上產(chǎn)生增加性噪音，并出現(xiàn)資料位元誤碼。

高速信號傳輸實例分析

面對上述的問題，我們以基礎型高畫質(zhì)（High-Definition，HD）數(shù)字視頻路由器的處理方式為例進行解說。HD視頻路由器可管理來自于廣播、工作室或者節(jié)目制作設備之間的多項HD節(jié)目來源資料串流。HD視頻管道是在270Mbps到高達1.485Gbps的速率范圍內(nèi)運作，它需要被仔細地設計并裼靡恢碌納杓品椒ǎ以確保交換路由器系統(tǒng)不會降低視頻資料的完整性。

圖1U高畫質(zhì)視頻路由器圖解。

在圖1的這個系統(tǒng)中，可適應均衡器（EQ）直接由BNC連接器接收HD信號。一個公共底板將信號從輸入卡連接到開關(guān)卡，以輸出到目標信號管道。信號從EQ經(jīng)過近8英寸的PCB，點對點傳輸?shù)降装暹B接器，然后透過3到15英寸的底板（長度取決于所使用的插槽類型）傳輸?shù)降诙€連接器，之后再經(jīng)過8英寸的PCB到交叉點開關(guān)元件的輸入。一個重組時脈（re-clocker）/線纜驅(qū)動器直接連接到交叉點開關(guān)的輸出以驅(qū)動信號在電纜上的傳輸。這些HD視頻路由器系統(tǒng)已模組化，可能具有8個到1000個輸入/輸出信號管道。也因為如此，信號密度可能非常高。

圖2U信號路徑上阻抗TDR圖實例。

一般的FR4電路板材料是屬于阻抗一致的環(huán)境，但是分散式寄生阻抗對訊號質(zhì)量會產(chǎn)生負面的影響。影響最大的部份，是因大量工作在高于基本的資料速率的頻率分量產(chǎn)生的快速上下邊緣變換率，所引起的信號損耗和緩慢轉(zhuǎn)換時間。除此之外，在元件間（例如BNC連接器、積體電路、電路板不同層之間的過道孔，或者板子之間的連接器）的互相聯(lián)結(jié)可能導致與特征阻抗（Z0）的阻抗誤配，這也會影響到信號品質(zhì)（如圖2）。密集的底板連接器會為訊號路徑增加感性負載，而PCB的過道孔增加了信號路徑的容性負載。

在信號傳輸路徑上，任何存在阻抗改變的地方都可能出現(xiàn)信號反射。這些反射和寄生阻抗將導致信號幅度的損耗、環(huán)狀波、上升時間變長和EMI等問題。在本文的范例系統(tǒng)中，從EQ輸出到交叉點開關(guān)的輸入之間FR4電路板長度預計長達31英寸，在這個路徑上H會出現(xiàn)幾個阻抗不連續(xù)的情況。如果沿著這個路徑的入射邊緣（incident edge）速度為175到200 ps/英寸，資料速率為1.485Gbps（半波長 = 343 ps），那么在任何所給予的時間都存在多達18個傳換邊緣。阻抗不匹配的入射邊緣產(chǎn)生的反射，將影響到信號路徑上出現(xiàn)的所有信號變換邊緣。從信號邊緣1到信號邊緣17的反射在到達信號路徑終端時，將使第18個信號邊緣嚴重地失真。結(jié)果得到的眼形圖（圖3）顯示了幅度損耗、額外的抖動以及上升/下降時間變化。

圖3U經(jīng)過長達31英嫉FR4電路板傳輸后，交叉點開關(guān)輸入處的眼形圖。

提升信號傳輸品質(zhì)的方法

對于這種挑戰(zhàn)的一個解決方案是在子卡和底板之間使用高品質(zhì)的連接器，這將使連接器的不連續(xù)性最小。更好的過道孔設計將進一步使TDR測量圖扁平化，如此一來，將使得這個長度的信號路徑的實際阻抗將與Z0非常接近。

另外一種更具成本效益的解決方案，是使用一個簡單的LVDS緩沖器來驅(qū)動和接收底板上傳來的信號。它會將信號傳輸路徑再細分為很短的區(qū)段，以遮蔽阻抗誤配的問題，并減少信號衰減。

在子卡的邊緣放置一個緩沖器以驅(qū)動連接器和底板，再透過交換子卡上的另外一個緩沖器用來接收信號（圖4），并重新驅(qū)動這些信號到交叉點開關(guān)的輸入，以有效地隱藏兩個緩沖器之間的阻抗不連續(xù)（圖5）。正確的阻抗終結(jié)也能確保接收器吸收線路中的所有能量，使這些信號不會反射回來源端。

圖4U利用緩沖器來克服阻抗的不連續(xù)問題。

圖5U采用緩沖器隔離底板連接后在交叉點輸入的信號眼形圖。

除此之外，緩沖器通常還能增強信號品質(zhì)，改善原始信號。舉例而言，具有輸入均衡的緩沖器將在底板上傳輸信號之前消除媒質(zhì)損耗帶來的定量性抖動（deterministic jitter）。輸出已預先加強信號的功能可增大信號幅度，使得在交叉點輸入或接收器處的眼形圖更為開闊。在緩沖器I/O上，較高的ESD極限可保護子卡上的其他元件免受底板上其他位置發(fā)生的ESD意外事件而損壞。

LVDS緩沖器的功能

下面將以一種四通道1.5 Gbps LVDS的緩沖器/中繼器為例進行說明。該元件的高速資料路徑和直通管腳使元件內(nèi)部產(chǎn)生抖動最小，并簡化電路板設計。其可配置的預先加強信號功能，可以克服底板和電纜損耗帶來的ISI抖動效應。位差輸入和輸出在內(nèi)部用100Ω的電阻終結(jié)以改善性能，并減小電路板尺寸。增強信號強度的中繼器功能對于在高損耗的電纜和底板上長距離傳輸信號來說，特別有用。