用工程電纜解決方案取代印刷布線，實現高速應用

線束世界 2025-06-27 08:00

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通過互連獲得更快的傳輸速度并不像用撥盤調速那么簡單。它需要調整信號調制和 SerDes 技術，以及互連和 IC 封裝方面的進步。

由于每個端口以 100G 和 200G 總數據速率運行的網絡設備已經無處不在，網絡系統開發工程師已將重點轉移到 200G、400G 和 800G 端口數據速率上，每個端口 1.6T 的數據速率即將出現。然而，通過互連獲得更快的傳輸并不像用撥盤提高速度那么簡單。它需要調整信號調制和 SerDes 技術，以及互連和 IC 封裝方面的進步。圖 1 將數據速率與所需的帶寬（以 GB 為單位）相關聯，并說明了一些變化。

假設采用 OSFP IO 解決方案，則 200G 的數據速率使用 NRZ 調制 — 一種兩級調制。隨著數據速率從 200G 增加到 400G，信道頻率要求幾乎保持不變。通過將調制更改為 PAM4 — 一種四級調制，數據速率不會增加帶寬，而是將數據速率提高一倍。簡而言之，對于 NRZ 發送的每 1 位，使用 PAM4 通過通道發送 2 位。隨著數據速率增加到 800G，PAM4 仍然存在，并且所需的頻率翻了一番。

圖 1 |OSFP 數據速率與 99.9% 頻率成分的關系。調制顯示在相關數據速率附近。

更改調制和增加帶寬確實會帶來一些工程挑戰。當調制從 NRZ 更改為 PAM4 時，可用信號幅度（也稱為眼高，對于看起來像眼睛的開口，可以在圖 1 的 NRZ 和 PAM4 圖中觀察到）減少 33%。降低信號幅度意味著信噪比會立即受到影響，使 PAM4 信號更容易受到噪聲的影響。當帶寬增加時，兩個傳輸參數會受到影響：上升時間和插入損耗。上升時間是電壓從一個電平轉換到另一個電平的速度。隨著邊緣上升速度的加快，通道中的反射會變得更強、噪點更強。同時，頻率越高，插入損耗越高，插入損耗越大意味著信號越少。總之，對于使用 OSFP 的 800G 和 1.6T 數據速率，調制會降低可用信號幅度，更高的反射會產生更多的噪聲，而較高的插入損耗會產生更少的信號。

互連制造商提供解決方案來克服這些問題，例如使用旨在通過雙軸電纜繞過 PCB 走線的產品。圖 2 顯示了有線傳輸線產品系列的典型應用。

圖 2 電纜傳輸線應用

圖 3 和圖 4 顯示了這些解決方案如何提高插入損耗性能。插入損耗以分貝（db）為單位報告，任何大于 0 的值都是增益。由于互連是無源器件，因此所有插入損耗都小于 0 db。插入損耗的數字越小，可用的信號越少。因此，插入損耗有時會報告為正數，以使名稱與圖表匹配。但是，標準做法是將插入損耗報告為負數。

為了說明電纜如何改善插入損耗，提出了兩個指標：使用電纜的損耗降低乘數和電纜隨頻率變化的插入損耗。在 200G 和 400G 數據速率下，使用電纜傳輸線的長度大約是其四倍，而在 1.6T 數據速率下，傳輸線長度可達六倍以上。對于 200G 和 400G，僅用 PCB 就可以實現傳輸線的長度。因此，即使使用電纜有優勢，也沒有必要?，F在，在 800G 和 1.6T 數據速率下，信號損耗非常高，以至于系統不能只使用 PCB 工作，而且在這些速度下，優勢與需求是一致的。

圖 3 電纜插入損耗和 PCB 插入損耗之間的相對變化

圖 4 電纜插入損耗和 PCB 插入損耗

通過仔細設計互連，可以減少反射。例如，800G OSFP 的反射參數、阻抗和回波損耗如圖 5 所示。

阻抗是反射的時間圖，這些反射以歐姆為單位。整個配接的 OSFP 連接器系統的阻抗變化僅為 6 歐姆。作為參考框架，此應用的生產印刷電路板被控制在 +/- 7.5 歐姆以內，使 OSFP 遠低于系統中的預期阻抗變化。

回波損耗是頻域中反射的量度。作為參考，射頻連接器的回波損耗在工作頻段內應低于 -20 db。為了獲得所需的信號完整性性能，在奈奎斯特頻率（該頻率是 NRZ 數據速率的一半，PAM4 數據速率的四分之一）下，回波損耗應盡可能低且低于 -12 db。在這種情況下，奈奎斯特頻率為 26.56 GHz，該頻率的回波損耗明顯低于 -12 db。總之，在 800G 應用頻段內，反射很低且控制良好，該頻段以每通道 112 Gb/s 的信號傳輸速度運行。

圖 5 |112G OSFP 阻抗和回波損耗

如今，許多具有這種性能水平的電纜產品都已上市。為了展示這些產品的性能水平，它們在 DesignCon 2022 上都展示了采用 100G SerDes 技術以 100 Gb/s 的速度運行。該演示平臺通過多引腳 RF 連接器將 SerDes 連接到一端的有線解決方案測試夾具。有線解決方案通過 4 m 線性有源 OSFP 電纜組件連接，信號通過這些解決方案環回到 SerDes。FEC 前 BER 的測量值為 1e-6，比所需的 1e-4 高出兩個數量級。在 32 端換機中使用此解決方案將實現 25.6 Tb/s 的總帶寬。