在核心路由器、乙太網路交換器與儲存子系統這種以模組化機殼為基礎的系統，內含的高速背板（Backplane），需要高度的訊號完整性與更高的系統處理能力。基於成本效益與即時性設計的考量下，這些應用領域的系統廠商面臨了許多挑戰。不但必須為客戶保留在原有線卡、機殼與電源供應器上的投資，同時還必須支援更高效能及提供更新的服務。

目前某些系統中的背板是以5Gbps或更高速的序列連結技術來運作。為了在這些資料傳輸速度上設計可靠性高的系統，晶片廠商必需提供保證不會在背板中發生傳輸錯誤的解決方案。本文便介紹了以模組化機殼為基礎系統中之高速背板、高速背板的設計挑戰以及可克服這些挑戰的晶片解決方案。以模組化機殼為基礎的系統範例

像是高階核心路由器、企業交換器與儲存子系統這種以模組化機殼為基礎的系統，都是以高速背板與多線卡為特色，增加更多線卡及提高線卡上的連接埠密度，便可以提高效能與容量。這些系統都是模組化且規模獨立的系統，而不需要將整個系統全部升級或更換。它們也是為高可用性（Usability）而設計，以確保有足夠的正常運作時間。

這些系統是由含有多餘交換卡、線卡與電源供應模組的插槽組成。可以藉由多餘的元件來設定它們，以增加安裝作業的可靠度與可用性。(圖一)便是以模組化機殼為基礎的系統典型組態。背板介面解決方案（也就是所謂的高速序列連結）提供了在高速背板上的全雙工通訊能力。序列連結裝置的傳輸速度則視系統的處理能力需求而定。而序列連結則是透過高速差動訊號來傳輸資料。差動訊號則會透過線卡與連接插頭來實現背板上傳送，以及通過另一組高密度的連接插頭來傳送。通道的特性則視背板的材質、連接插頭密度、追蹤寬度與耦合等等元素而定。在典型的路由器中，隨著線卡插入這些引線中的位置不同，引線的長度便可能介於1英吋至48英吋之間。

《圖一　以模組化機殼為基礎的系統範例》

這些模組化系統中的背板介面裝置有下列關鍵要求：

提升速度

介面裝置必須要能滿足系統設計師對頻寬日益增加的需求。晶片廠商會以3.125～5Gbps的速度來傳送解決方案，及以6.25Gbps的速度為解決方案建立樣品，來為現有的背板建立升級解決方案。只要簡單地升級一張交換器卡，系統廠商可以重複使用現有的機殼與線卡，同時還能提供升級到更高頻寬線卡的路徑，在低成本的情況下為客戶提供更多的服務。

高速背板設計考量

由於資料速度提升至超過1Gbps的層級，因此設計師必須解決背板系統設計上產生的新問題。這些背板的訊號完整性會因表面效應、介電損失、因串音而產生的干擾以及交互符號干擾而受到影響。

集膚效應

集膚效應為頻率增加時大部分電流都集中在外側導體上的現象。因為表面現象而產生的損失是與頻率、引線寬度與高度的平方根成正比的。

介電損失

是因為熱散失到面板介電上以及頻率呈直線增加而產生的現象。在較高的頻率下，介電損失便會成為較大的問題。這些損失會降低訊號振幅、減慢訊號邊際速度，進而導致訊號消散與較差的抖動範圍。

《圖二　效應與介電損失》

訊號消散會導致產生交互符號干擾（ISI），因為減弱效應較低的低頻元件會與接收器端減弱的高頻元件一起被計算總和。因此，開口會變小，這將使接收端難以回復而導致無法接受的位元錯誤，這會限制最大位元速率。另一個解釋此現象的方式便是訊號模糊或散開，因而能量便從其中一個位元向後續位元降低，而導致位元錯誤。通常在較低速率下，交互符號干擾是可以更正的，因為有足夠的時序預留空間。而在較高速率下，ISI則不再受限於訊號範圍，而且可以影響整個位元的寬度。

干擾的主要來源為因高密度連接插頭與背板引線而產生的串音。串音為因高密度連接插頭與背板引線的置放位置而產生的主要干擾來源。串音的類型有兩種：分別為近端串音NEXT與遠端串音FEXT。當接收到的訊號因受到位於受害接收器旁邊的傳送器訊號干擾而產生錯誤時，便會導致NEXT。而當接收到的訊號因受到連接至受害接收器的“遠端傳送器”附近位置的傳送器干擾而產生錯誤時，便會導致FEXT。

《圖三　串音測量方式》

所有這些通道的減損都會在含有特殊訊號調節迴路（例如預先強調與均衡化）的背板互連裝置中被補償校正或排除。這些迴路會減弱低頻率並放大高頻率以補償校正損失現象。

高速背板的創新晶片解決方案

背板介面裝置的關鍵功能是解決損失與串音等通道減損問題，以延長背板的壽命。介面傳送器則是以含有類似放大控制與預先強調這樣的訊號調節迴路為特色。

《圖四　SCAN50C400、Quad 5Gbps背板收發器》

同樣地，背板介面接收器則是以均衡化技術為特色來控制損失。此外，這些裝置也需要有JTAG與BIST這樣的測試能力，才能在製造時執行系統層級的測試。(圖四)便是專門設計來滿足所有類似需求的quad 5Gbps SerDes的說明圖示。而後文則會詳細討論SCAN50C400與其他高速背板介面裝置所採用的訊號完整性技術。

預先強調、不強調

此技術會在傳送前先讓訊號失真，使接收器的訊號品質與原始傳送出來的訊號一樣。預先強調可以在訊號維持在直流等級超過一個位元時間時，提高高頻容量並降低低頻波幅。在設計這些方法時，系統設計師必須要對輸出波幅更加小心以限制輸出電源。

《圖五　(a)速度>5Gbps，26”後的開口（沒有不強調）。 (b)速度>5 Gbps ，26”後的開口（有不強調）》

接收均衡化

接收均衡化可以藉由套用相對的頻率特性到接收進來的資料上，來補償通道的損失特性。均衡化迴路的類型有兩種：固定式與適應式。固定式均衡器採用手動設定方式來設定補償特性；適應式均衡器則是採用適應式演算規則來設定最好的特性。這不但可讓使用者套用一部份到某個範圍內的不同通道上，同時也可以自動補償因環境變化而產生在製造上差異與通道特性上的變更。接收均衡功能可以整合到背板介面裝置中，也可以獨立的裝置來提供。在獨立的裝置中執行均衡功能可以獲得繞送方式最理想與設計彈性高的好處。

《圖六　在5Gbps速度上的接收均衡化》

串音干擾抵銷

除了預先強調與均衡化技術之外，也可以在某些系統中採用串音抵銷技術。這些晶片採用了在相鄰的通道上取得干擾訊號樣本，並將之從訊號上去掉的抵銷機制。

結論

高速背板設計師面臨訊號減弱、交互符號干擾與串音等等幾個挑戰。而擁有創新訊號調節技術的產品可以克服這些系統層次的挑戰。美國國家半導體的高速介面解決方案不但可以讓系統廠商為客戶提供結合了高效能與可升級特性的最佳系統，同時還可以將開發時間縮到最短，以及將開發成本降到最低。

（作者為NS美國國家半導體企業網路市場經理）