技術干貨 | DAC信號完整性淺析

隨著物聯(lián)網(wǎng)、人工智能、云計算、大數(shù)據(jù)應用的迅速興起，服務器、路由器、交換機和數(shù)據(jù)存儲設備的數(shù)據(jù)傳輸速率在不斷增長，數(shù)據(jù)中心面臨高帶寬、高可靠性和低延時的挑戰(zhàn)，尤其對高達800G的數(shù)據(jù)傳輸要求就更高。

要實現(xiàn)高數(shù)據(jù)傳輸，就需要經(jīng)濟高效、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便性和靈活性以及低功耗等優(yōu)勢，是實現(xiàn)數(shù)據(jù)中心短距離高速率傳輸?shù)母咝詢r比解決方案。

800G QSFP-DD800 DAC數(shù)據(jù)速率高達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，這必然會為信號完整性帶來極大的挑戰(zhàn)。要滿足所需的插損、回損、TDR和串擾等，必然要進行高速信號完整性仿真。

高速信號完整性仿真需要線纜模型和QSFP-DD800連接器模型，由于供應商不會提供這兩個模型，導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信號完整性解決方案

方案一

只對高速線、信號過孔、電容進行仿真；線纜焊接和QSFP-DD800連接器（與金手指相連接）不進行仿真，而是依靠經(jīng)驗設計；

方案二

對高速線、信號過孔、電容、線纜焊盤和QSFP-DD800連接器焊盤進行仿真，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端口進行仿真；

方案三

對高速線、信號過孔、電容、線纜焊接和QSFP-DD800連接器進行仿真，需要對線纜和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重的兩個位置，依靠經(jīng)驗設計而不進行信號完整性仿真將無法評估真實的性能。阻抗失配程度、高頻的插損/回損值以及是否出現(xiàn)諧振等關鍵信息均無法獲取，整個設計處于一種性能不確定的狀態(tài)，這是一種巨大的風險，不僅會增大研發(fā)難度，還會增加研發(fā)成本以及延長研發(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端口進行仿真，是一個簡單的評估方法，相比方案一會有改善，但線纜焊盤和QSFP-DD800連接器焊盤的低阻抗會使仿真結果失真，而且仿真模型與實際模型差異太大導致丟失非常多的細節(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致信號的并聯(lián)傳輸?shù)?，這些關鍵信息都會對仿真結果造成很大的影響），最終導致仿真結果失真，影響信號完整性的評估；

挑戰(zhàn)三

雖然對線纜焊接和QSFP-DD800連接器進行信號完整性仿真可以幫助評估性能，但是等效模型的設計質(zhì)量將決定所評估性能的真實性。部分等效模型只考慮了真實性，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考慮真實性和等效性，這會導致仿真結果失真，從而使性能評估出現(xiàn)偏差，嚴重時甚至會得出錯誤的結論。如何在真實性和等效性之間取得平衡是高速信號完整性仿真的難點與關鍵點。

克服挑戰(zhàn)的技術手段技術

手段一：建立QSFP-DD800連接器的仿真模型——平衡真實性和等效性

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

2. 還原QSFP-DD800連接器真實模型的處理方法；

3. QSFP-DD800連接器等效模型的設計與仿真優(yōu)化方法。

技術手段二：建立線纜的仿真模型——平衡真實性和等效性

1.  平衡線纜仿真模型的真實性和等效性的信號完整性仿真方法；

2. 還原線纜真實模型的處理方法；

3. 線纜等效模型的設計與仿真優(yōu)化方法。

技術手段三：線纜焊盤出線位置作容性補償——避免高速線阻抗被拉高造成阻抗嚴重失配

1. 作容性補償?shù)木匦毋~皮設計；

2. 容性補償同時改善2個阻抗不連續(xù)點（焊盤阻抗點與出線差分對阻抗點）的信號完整性仿真方法。

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：矩形銅皮容性補償對比