При организации канала формируется необходимая полоса пропускания с заданной скоростью передачи данных. В общем случае, организация канала связи сводится к коррекции амплитудно-частотной характеристики (АЧХ) и фазочастотной характеристики (ФЧХ) линии передачи, которая представляет собой систему с распределенными параметрами. Такая процедура называется коррекцией, или выравниванием (equalization). В более точном определении это метод устранения частотных и фазовых искажений в сигнале с помощью элементов, вносящих определенные предыскажения, которые позволяют компенсировать разницу в ослаблении и временной задержке частотных компонентов сигнала. Организация канала связи подразумевает автоматическую регулировку фильтра с конечной импульсной характеристикой (КИХ) (см. рис. 1) [1].

Рис. 1. Пояснение понятия «выравнивание канала» и сопутствующих этой процедуре терминов

Подстройка АЧХ и ФЧХ осуществляется для каждого текущего состояния канала связи (с учетом не только длины линии, но и влияния на ее характеристики внешних факторов) и выполняется с помощью ASIC путем установки соответствующих коэффициентов k_iКИХ-фильтра. Цель такой регулировки – обеспечить требуемый коэффициент битовых ошибок (bit error rate, BER), который, собственно, характеризует качество приема информации в конкретном канале связи, но не в рамках определенного протокола, а в рассматриваемом случае исключительно в физической линии передачи данных.

Организация физического канала связи – тонкий и сложный процесс, требующий времени и навыков. Разработан целый ряд процедур, которые позволяют обойтись без этой трудоемкой операции. Так, эта подготовка стала необязательной в некоторых новых стандартах передачи данных, например в спецификациях 25GbE и 50GbE консорциума 25 Gigabit Ethernet Consortium. К тому же, на рынке имеется много последовательно-параллельных и параллельно-последовательных преобразователей SerDes, которые осуществляют тренировку канала связи хоть и не в полном, но в достаточном объеме для организации устойчивого канала. Позже мы подробнее остановимся на этом вопросе, а для начала давайте рассмотрим, как, собственно, осуществляется организация канала связи. Всю процедуру можно разбить на три составляющих.

1. Определение подходящей скорости канала. В случае с Ethernet для организации канала связи каждое устройство отправляет свои параметры скорости передачи данных другому связанному с ним устройству. Как только оба устройства получат эти параметры, они переходят на максимально возможную общую скорость. На рисунке 2 показан процесс согласования скорости между двумя устройствами А и Б.

Рис. 2. Согласование скорости передачи между устройствами

2. Организация канала связи. На данном этапе канал работает на скорости, согласованной на этапе 1. Организация, как правило, включает следующие шаги.

§ Приемник исследует глазок на глазковой диаграмме, и по его высоте или ширине определяет текущее качество сигнала.

§ Если параметры глазка в норме, приемник завершает организацию канала; если же глазок можно еще скорректировать, подстройка продолжается. После оптимизации организация канала считается выполненной, а параметры согласования фиксируются.

§ Если приемник требует, чтобы передатчик партнера изменил значения предшествующих битов (pre—cursors), основного бита (maincursor) или последующих битов (post—cursors), проверка глазка на диаграмме начинается снова.

На рисунке 3 показана фаза настройки канала связи между устройствами A и Б, которая сводится к обучению устройствами передатчиков путем обмена данными.

Рис. 3. Этап подготовки канала связи

3. Нормальный режим передача данных. После того как канал настроен, оба устройства, используя оптимизированные настройки приемника, начинают посылать текущие данные.

Рисунок 4 показывает, как устройства А и Б обмениваются данными после завершения настройки канала.

 

Достоинства и недостатки

Организация канала связи состоит в решении такой системной проблемы как регулировка настроек в каждой конфигурации канала (длинного, среднего, короткого). Конечной же целью коррекции является последующее исключение необходимости повторять такую регулировку. Для этого приемник сообщает передатчику другого устройства ранее определенные настройки. Однако в некоторых случаях возникают следующие проблемы.

§    Воспроизводимость результатов организации канала. Значения КИХ меняются от одного цикла настройки к другому. Как только она завершится, значение КИХ фиксируется до момента прекращения связи. В процессе испытаний разработчики должны протестировать систему по напряжению и температуре для каждого результата настройки канала. Количество этих результатов может оказаться достаточно большим. Все они должны учитывать колебания температуры и напряжения. Широкий диапазон вариаций результатов настройки вынудил некоторых производителей упростить алгоритм регулирования, в соответствии с которым приемник запрашивает одинаковые настройки КИХ независимо от канала. Хотя такой алгоритм и ограничивает вариации результатов, он прекращает служить цели организовать канал связи.

§    Неограниченное по длительности время соединения. Если приемник не удовлетворен качеством сигнала, он продолжает настаивать на изменении значений КИХ в течение неопределенного времени. В конце концов, время настройки канала истекает. Из-за множества повторных попыток  «запрос/перерыв/повторный запрос» время соединения может меняться не только в разных каналах, но и в разных системах. Чтобы избежать этого, системное программное обеспечение необходимо оснастить механизмом опроса для проверки успешного завершения настройки канала, иначе новая попытка проверить текущее состояние связи будет предприниматься каждые 500 мс.

Начиная с 2009 г., когда появились 10-Гбит каналы передачи данных, SerDes-приемники прошли длинный путь совершенствования до нынешних самонастраивающихся схем стабилизации CTLE (ContinuousTime Linear Equalizer – линейный эквалайзер непрерывного времени) и блоков DFE (DecisionFeedbackEqualizer – эквалайзер с адаптивной решающей обратной связью). У последних параметры автоматически подстраиваются к условиям приема сигналов. Такие адаптивные корректоры/компенсаторы применяются для коррекции амплитудных и фазовых искажений, вызванных межсимвольными искажениями сигнала и неидеальностью аппаратуры приема и передачи сигналов. Наиболее распространенные SerDes-приемники позволяют автоматически настраиваться на каналы с широким диапазоном вносимых потерь 5–35 дБ. Благодаря усовершенствованным характеристикам приемников SerDes уменьшились требования к настройке канала связи и нивелировались ее преимущества. В таблице 1 представлен список «за» и «против» использования предварительной настройки канала, основанный на изложенных фактах.

 

Выбор формирователя сигнала

В случаях, когда вносимые потери канала превышают возможности ASIC приемника, формирователи сигнала могут расширить возможности канала. Известны четыре категории таких формирователей: ограничивающий ретранслятор, линейный ретранслятор (повторитель, или репитер), ретаймер и интегральная схема физического уровня (PHY). Ретаймер – цифровое тактируемое устройство с аналоговым усилителем сигнала, которое выполняет не только коррекцию уровня, но и восстановление временных характеристик, приводя их в соответствие с физическими требованиями протокола. Это устройство также минимизирует джиттер (нестабильность длительности импульсов). Название «ретаймер» подразумевает повторное формирование временных характеристик цифровых сигналов с нивелированием произошедших искажений. Таблица 2 объясняет высокоуровневые различия между этими категориями.

 

Линейные и ограничивающие ретрансляторы

Ключевое различие между линейными и ограничивающими ретрансляторами состоит в том, что линейные ретрансляторы передают высокочастотный импульс без сжатия или мягкого ограничения напряжения дифференциального сигнала, тогда как ограничивающие ретрансляторы, обеспечивающие широкополосное усиление, применяют функцию ограничивающего усилителя к сигналу, прошедшему процедуру выравнивания.

Чтобы продемонстрировать это различие, был смоделирован 10-Гбит канал передачи данных (см. рис. 5) с помощью WEBENCH Interface Designer – интерактивного средства моделирования от компании Texas Instruments.

Рис. 5. Схема для моделирования

На первом этапе моделирования для коррекции 30-дюймовой линии передачи, выполненной на стеклотекстолите марки FR4, использовался линейный ретранслятор. Длина проводника до ретранслятора составила 10 дюймов, а после него – 20 дюймов. Передатчик использовал последующие биты (post-cursors) в сигнале, как при тренировке канала. На рисунке 6 показаны результаты моделирования. Заметим, что post—cursor от передатчика все еще присутствует в выходном сигнале ретранслятора (внизу слева), что в конечном итоге позволяет открыть глазок на входе приемника (внизу справа).

Рис. 6. Результаты тестирования модели с помощью линейного ретранслятора

Во втором варианте моделирования с той же 30-дюймовой линией передачи на том же стеклотекстолите использовался ограничительный ретранслятор. Заметим, что последующие биты от передатчика были удалены и больше не присутствуют на выходе ретранслятора (внизу слева).

Чтобы показать разницу между линейным и ограничительным ретрансляторами, использовался post-cursorбольшого объема (см. рис. 6–7). Глазок на входе приемника (внизу справа) меньше, т.к. был обрезан и потому не позволил скорректировать выходной сигнал канала.

 

Рис. 7. Тестирование линии с помощью ограничивающего ретранслятора

Негативные эффекты ограничивающего ретранслятора, отсекающего pre- и post-cursors, в наибольшей мере проявляются в том случае, когда ретранслятор находится близко к передатчику. Такое размещение не рекомендуется, но иногда этот вариант является единственно возможным. Представленные примеры моделирования рассматривают именно такое неоптимальное размещение.

 

Ретаймеры

Ретаймеры обладают некоторыми явными преимуществами по сравнению с ретрансляторами, поскольку содержат:

·         стационарную линейную схему коррекции CTLE и блок DFE, которые автоматически настраиваются на входные потери канала;

·         систему восстановления тактовой частоты и данных (Clock and Data Recovery, CDR), которая позволяет избавиться от накопленного джиттера и выдает неискаженный сигнал тактовой частоты.

Использование блоков CTLE и DFE с автоматической адаптацией приводит к тому, что потери канала на входе ретаймера значительно изменяются (например, в диапазоне 5–35 дБ), но ретаймер может захватывать и восстанавливать эти данные. Если ретаймер расположен близко к приемнику ASIC, как показано на рисунке 8, приемник получает очень четкий сигнал благодаря тому, что его очищает ретаймер и удаляет возникшие в канале искажения. В таких случаях организация канала связи теряет смысл, поскольку проблема с изменяющимися потерями канала решается с помощью автоматических адаптивных блоков CTLE и DFE.

Рис. 8. Использование ретаймера без подготовки канала связи

Решение, когда применять настройку канала и какой формирователь сигнала использовать, зависит от разных упомянутых выше факторов. На рисунке 9 представлен алгоритм для выбора требуемого решения.

 

Рис. 9. Алгоритм принятия решения по улучшению параметров сигнала

Передача настроек КИХ

На рисунке 10 показана реализация КИХ-фильтра на стороне передатчика с одним коэффициентом для pre—cursor и одним – для post-cursor в дополнение к основному коэффициенту для main—cursor.

Рис. 10. Пример структурной схемы и формы сигнала КИХ-эквалайзера

Если знак коэффициентов у предыдущих и последующих битов противоположен знаку основного бита, АЧХ результирующего сигнала выглядит так, как если бы он был обработан фильтром высоких частот – низкочастотные составляющие сигнала ослаблены. Таким образом выполняется коррекция предыскажений.

 

Расположение формирователей сигнала

Для обеспечения целостности сигнала его формирователи (ретрансляторы и ретаймеры) необходимо устанавливать как можно ближе к приемнику ASIC (см. рис. 11). Это позволяет формирователям выполнить большую часть работы по коррекции тракта передачи, что уменьшает нагрузку на приемник ASIC и обеспечивает максимальную длину канала связи. Однако такое размещение, как правило, возможно только лишь при использовании однонаправленных формирователей сигналов.

Рис. 11. Оптимальное расположение формирователя сигнала

При использовании соединительных плат нельзя устанавливать двунаправленный формирователь сигнала «посередине» канала. Если формирователь сигнала задействован в длинном канале, приемнику ASIC приходится выполнять наибольшую часть коррекции, и польза от формирователя уменьшается. Такое асимметричное расположение двунаправленного формирователя сигнала ограничивает преимущество в увеличении дальности передачи сигнала. На рисунке 12 показано неоптимальное расположение двунаправленного формирователя сигнала.

Рис. 12. Неоптимальное размещение двунаправленного формирователя сигнала

 

Чтобы обеспечить оптимальную целостность сигнала и улучшить параметры системы, минимизировав при этом ее стоимость, время ожидания и энергопотребление, можно отказаться от регулировки сигнала, использовав вместо нее ретаймер или ретранслятор. В определенных случаях это не такая большая потеря, поскольку тренировка канала зачастую не дает реальных системных преимуществ в плане воспроизводимости результатов и непрерывности времени соединения. В других же ситуациях, когда организация канала связи является абсолютным требованием для системы, решение с линейным ретранслятором обеспечивает наименьшую стоимость, время ожидания и энергопотребление.

 

Литература

1. Gustaaf Sutorius, Dr. Thomas Kirchner. Cleaning the Rusty Channel Emphasis, Equalization & Embedding. Agilent Technologies.

2. Martin Rowe. Oscilloscope option analyzes 100 GbE link-training signals. EDN. November 01. 2016.

3. Robert Ster. Jr. FIR and IIR digital filter design guide. EDN. March 01. 2016.

 

 

Таблица 1. Достоинства и недостатки организации канала свяи

За	Против
Стандартный механизм для согласования скорости и настройки КИХ для разного оборудования.	Изменчивость результатов настройки КИХ при настройке канала требует тщательного тестирования стабильности системы для обеспечения устойчивой работы.
Устраняется необходимость в настройке КИХ для каждого канала.	Неопределенное время соединения (иногда >1 с).
Улучшает взаимодействие между оборудованием разных производителей.	Ограниченные возможности формирования сигнала от линейного ретранслятора или устройства физического уровня; высокая стоимость.

 

Таблица 2. Сравнительная оценка возможностей в части удлинения канала

Категория	Выравнивание (EQ)	Автоматическая адаптация	Тестовые последовательности  для настройки канала	Относительная стоимость	Относительное время запаздывания	Относительная потребляемая мощность
Ограничительный ретранслятор	EQ +	нет	нет	$
	драйвер с коррекцией предыскажений
Линейный ретранслятор	EQ +	нет	да	$
	линейный драйвер
Ретаймер	EQ + восстановление тактовой частоты и данных (CDR) + DFE +	да	нет	$$
	драйвер КИХ
Микросхема физического уровня	EQ + CDR + DFE +	да	да	$$$	>50 нс
	драйвер КИХ