在核心路由器、以太网络交换器与储存子系统这种以模块化机壳为基础的系统，内含的高速背板（Backplane），需要高度的讯号完整性与更高的系统处理能力。基于成本效益与实时性设计的考虑下，这些应用领域的系统厂商面临了许多挑战。不但必须为客户保留在原有线卡、机壳与电源供应器上的投资，同时还必须支持更高效能及提供更新的服务。

目前某些系统中的背板是以5Gbps或更高速的序列链接技术来运作。为了在这些数据传输速度上设计可靠性高的系统，芯片厂商必需提供保证不会在背板中发生传输错误的解决方案。本文便介绍了以模块化机壳为基础系统中之高速背板、高速背板的设计挑战以及可克服这些挑战的芯片解决方案。以模块化机壳为基础的系统范例

像是高阶核心路由器、企业交换器与储存子系统这种以模块化机壳为基础的系统，都是以高速背板与多线卡为特色，增加更多线卡及提高线卡上的端口密度，便可以提高效能与容量。这些系统都是模块化且规模独立的系统，而不需要将整个系统全部升级或更换。它们也是为高可用性（Usability）而设计，以确保有足够的正常运作时间。

这些系统是由含有多余交换卡、线卡与电源供应模块的插槽组成。可以藉由多余的组件来设定它们，以增加安装作业的可靠度与可用性。(图一)便是以模块化机壳为基础的系统典型组态。背板接口解决方案（也就是所谓的高速序列链接）提供了在高速背板上的全双工通讯能力。序列链接装置的传输速度则视系统的处理能力需求而定。而序列链接则是透过高速差动讯号来传输数据。差动讯号则会透过线卡与连接插头来实现背板上传送，以及通过另一组高密度的连接插头来传送。信道的特性则视背板的材质、连接插头密度、追踪宽度与耦合等等元素而定。在典型的路由器中，随着线卡插入这些引线中的位置不同，引线的长度便可能介于1英吋至48英吋之间。

《图一 以模块化机壳为基础的系统范例》

这些模块化系统中的背板接口装置有下列关键要求：

提升速度

接口装置必须要能满足系统设计师对带宽日益增加的需求。芯片厂商会以3.125～5Gbps的速度来传送解决方案，及以6.25Gbps的速度为解决方案建立样品，来为现有的背板建立升级解决方案。只要简单地升级一张交换器卡，系统厂商可以重复使用现有的机壳与线卡，同时还能提供升级到更高带宽线卡的路径，在低成本的情况下为客户提供更多的服务。

高速背板设计考虑

由于数据速度提升至超过1Gbps的层级，因此设计师必须解决背板系统设计上产生的新问题。这些背板的讯号完整性会因表面效应、介电损失、因串音而产生的干扰以及交互符号干扰而受到影响。

集肤效应

集肤效应为频率增加时大部分电流都集中在外侧导体上的现象。因为表面现象而产生的损失是与频率、引线宽度与高度的平方根成正比的。

介电损失

是因为热散失到面板介电上以及频率呈直线增加而产生的现象。在较高的频率下，介电损失便会成为较大的问题。这些损失会降低讯号振幅、减慢讯号边际速度，进而导致讯号消散与较差的抖动范围。

《图二 效应与介电损失》

讯号消散会导致产生交互符号干扰（ISI），因为减弱效应较低的低频组件会与接收器端减弱的高频组件一起被计算总和。因此，开口会变小，这将使接收端难以回复而导致无法接受的位错误，这会限制最大比特率。另一个解释此现象的方式便是讯号模糊或散开，因而能量便从其中一个位向后续位降低，而导致位错误。通常在较低速率下，交互符号干扰是可以更正的，因为有足够的时序预留空间。而在较高速率下，ISI则不再受限于讯号范围，而且可以影响整个位的宽度。

干扰的主要来源为因高密度连接插头与背板引线而产生的串音。串音为因高密度连接插头与背板引线的置放位置而产生的主要干扰来源。串音的类型有两种：分别为近端串音NEXT与远程串音FEXT。当接收到的讯号因受到位于受害接收器旁边的传送器讯号干扰而产生错误时，便会导致NEXT。而当接收到的讯号因受到连接至受害接收器的“远程传送器”附近位置的传送器干扰而产生错误时，便会导致FEXT。

《图三 串音测量方式》

所有这些信道的减损都会在含有特殊讯号调节回路（例如预先强调与均衡化）的背板互连装置中被补偿校正或排除。这些回路会减弱低频率并放大高频率以补偿校正损失现象。

高速背板的创新芯片解决方案

背板接口装置的关键功能是解决损失与串音等信道减损问题，以延长背板的寿命。接口传送器则是以含有类似放大控制与预先强调这样的讯号调节回路为特色。

《图四 SCAN50C400、Quad 5Gbps背板收发器》

同样地，背板接口接收器则是以均衡化技术为特色来控制损失。此外，这些装置也需要有JTAG与BIST这样的测试能力，才能在制造时执行系统层级的测试。(图四)便是专门设计来满足所有类似需求的quad 5Gbps SerDes的说明图标。而后文则会详细讨论SCAN50C400与其他高速背板接口装置所采用的讯号完整性技术。

预先强调、不强调

此技术会在传送前先让讯号失真，使接收器的讯号质量与原始传送出来的讯号一样。预先强调可以在讯号维持在直流等级超过一个位时间时，提高高频容量并降低低频波幅。在设计这些方法时，系统设计师必须要对输出波幅更加小心以限制输出电源。

《图五 (a)速度5Gbps，26”后的开口（没有不强调）。 (b)速度5 Gbps ，26”后的开口（有不强调）》

接收均衡化

接收均衡化可以藉由套用相对的频率特性到接收进来的数据上，来补偿信道的损失特性。均衡化回路的类型有两种：固定式与适应式。固定式均衡器采用手动设定方式来设定补偿特性；适应式均衡器则是采用适应式演算规则来设定最好的特性。这不但可让用户套用一部份到某个范围内的不同信道上，同时也可以自动补偿因环境变化而产生在制造上差异与信道特性上的变更。接收均衡功能可以整合到背板接口装置中，也可以独立的装置来提供。在独立的装置中执行均衡功能可以获得绕送方式最理想与设计弹性高的好处。

《图六 在5Gbps速度上的接收均衡化》

串音干扰抵销

除了预先强调与均衡化技术之外，也可以在某些系统中采用串音抵销技术。这些芯片采用了在相邻的信道上取得干扰讯号样本，并将之从讯号上去掉的抵销机制。

结论

高速背板设计师面临讯号减弱、交互符号干扰与串音等等几个挑战。而拥有创新讯号调节技术的产品可以克服这些系统层次的挑战。美国国家半导体的高速接口解决方案不但可以让系统厂商为客户提供结合了高效能与可升级特性的最佳系统，同时还可以将开发时间缩到最短，以及将开发成本降到最低。

（作者为NS美国国家半导体企业网络市场经理）