№3 / 2014 / статья 5

Подключение модулей расширения к основной плате – разъемы Multigig RT от TE Connectivity

Павел Трибунский (г. Москва)

Модульная конструкция радиоэлектронного оборудования с платами расширения (Mezzanine) и основными несущими платами (Backplane) получила широкое распространение в современных телекоммуникационных системах, в системах с распределенными вычислениями, оборудовании IT-инфраструктуры. Скорость передачи данных по цифровым шинам достигает нескольких гигабит в секунду, поэтому надежность, стабильность и качество физических интерфейсов играет важнейшую роль. Компанией TE Connectivity разработана серия разъемов MULTIGIG RT, предназначенная для обеспечения гибкости решений и высокого качества электрических соединений в системах модульного типа.

Из теории радиотехнических сигналов известно, что основная энергия одиночного электрического импульса длительностью τ в частотной области лежит в пределах 1/τ. Это означает, что при уменьшении длительности импульса занимаемая сигналом полоса частот изменяется в обратной пропорции, т.е. растет. Любой цифровой сигнал по своей сути является аналоговым, и, в общем случае, представляет собой апериодическую псевдослучайную последовательность импульсов. Одним из условий его качественной передачи в канале связи является равномерность амплитудно-частотной и фазо-частотной характеристик линии передачи в полосе частот, занимаемой сигналом. В системах с высокой скоростью передачи данных эта полоса частот может достигать нескольких гигагерц. Линии передачи не идеальны, и при распространении цифровой сигнал может претерпевать ряд искажений. В критических случаях существует риск того, что информация будет передана с ошибками.

Основными качественными показателями линий передачи цифровых сигналов являются:

  • степень ослабления (затухания) сигнала в линии;
  • уровень перекрестных помех (искажений) сигналов в шине;
  • равномерность группового времени запаздывания.

Степень ослабления сигнала в линии, как правило, связана с наличием тепловых потерь при распространении сигнала в линии, а также потерь на излучение. Тепловые потери обусловлены неидеальной природой проводников и диэлектриков, потери на излучение – возникновением стоячих волн в линии передачи вследствие переотражений на границах раздела сред из-за наличия рассогласованности импедансов линии и источника или приемника сигнала. Высокий уровень ослабления сигнала в линии может приводить к таким негативным последствиям, как невозможность детектирования сигнала на приемной стороне с заданным качеством.

Равномерность группового времени запаздывания в полосе частот обуславливает идентичность формы цифрового сигнала на выходе передатчика и сигнала на входе приемника. В телекоммуникационной сфере известен такой эффект, как межсимвольная интерференция. В линии передачи он возникает тогда, когда на входе приемника (детектора) цифрового сигнала присутствует суперпозиция двух сигналов – канального информационного символа и его предшественника, прошедшего двукратное переотражение: первый раз – от входа приемника, второй раз – от выхода передатчика.

Перекрестные помехи в сигнальной шине приводят к тому, что на входе приемника присутствует как полезный сигнал, распространяющийся по линии передачи, так и помеховый сигнал от соседней линии, наведенный посредством электромагнитного поля, который при определенных условиях может быть причиной ложного детектирования и возникновения символьных ошибок в приемнике.

При передаче сигналов на короткие с точки зрения электрической длины расстояния и при низкой информационной скорости указанные эффекты никак не сказываются на достоверности передаваемой информации [3]. Дело обстоит иначе, когда расстояние между приемником и передатчиком становится сравнимым с длиной волны в линии конкретного типа, или задержка на распространение сравнима с периодом следования импульсов высокоскоростного информационного потока.

В данной статье не рассматриваются подробно аспекты и тонкости неискаженной передачи данных, более подробную информацию содержит область знаний, называемая целостностью сигналов (англ. Signal Integrity).

Стандарты VITA 41 и VITA 46

В 1987 году была принята действующая по настоящее время спецификация VMEbus Rev. C1, описывающая реализацию оборудования на базе параллельной шины. Появление стандартов высокоскоростной последовательной передачи данных, таких как 10 GigE, Serial RapidIO, PCI Express, Advanced Switching Interconnect, каждый из которых работает со скоростью информационного потока свыше 2 Гбит/с, а также постоянно растущая потребность в увеличении пропускной способности шины VMEbus [2] привели к развитию технологии коммутируемых последовательных шин. В то же время было признано, что для нового поколения процессоров, предназначенных для применения в одноплатных компьютерах, в текущую конструкцию VMEbus требуется внести некоторые изменения, такие как увеличение нагрузочной способности системы питания, увеличение производительности систем охлаждения. Организацией по стандартизации ANSI был принят стандарт VITA 41 (VMEbus Switched Serial) или VXS, сочетающий в себе все преимущества и обратную совместимость с существующими аппаратными платформами архитектуры VMEbus, а также поддержку технологии коммутируемых последовательных шин, включая 10 GigE, PCI Express, RapidIO, StarFabric, InfiniBand. Разъемы P2 и P1 в стандарте VITA41 используются для организации традиционной шины VMEbus. Технология коммутируемых последовательных шин реализована через слот P0, в качестве которого используется высокоскоростной разъем дифференциальных сигналов семейства RT2, разработанный компанией TE Connectivity. Разъем содержит 30 дифференциальных сигнальных пар, 16 из которых определены для установления высокоскоростных соединений между платами расширения VITA 41, а оставшиеся 14 – зарезервированы для будущих применений.

Архитектура построения системы VITA 46 VPX имеет схожий подход к решению вопроса недостатка пропускной способности шины данных, но с некоторыми отличиями, а именно – разъем RT2 используется для всех позиций, что позволяет использовать скоростные дифференциальные сигналы во всех разъемах. VITA 46 определяет 32 дифференциальные линии ввода-вывода в разъеме P2 в отличие от 16 пар стандарта VITA 41.

Такой подход определяет некоторые интересные возможности. В то время как стандарт VITA 41 использует систему избыточной двойной централизованной коммутации, VITA 46 дает системному инженеру возможность применения распределенной системы коммутации, которая сама по себе избыточна, но имеет преимущество – неполадки одного из модулей или путей передачи данных не способны нарушить работу системы в целом. Каждый из портов стандарта VITA 46 поддерживает скорость передачи данных 2,5 Гбит/с при символьной скорости 3,25 ГБод/с (с 20% избыточностью стандарта кодирования 8B/10B). Еще одним преимуществом распределенной системы коммутации является компактность решения.

С точки зрения требований к системе питания архитектуры идентичны.

Семейство разъемов MULTIGIG RT

Серия продуктов MULTIGIG RT (рисунок 1), предназначена для обеспечения соединения основной несущей платы с платами расширения. Серия разработана специально для систем с высокой скоростью передачи данных стандартов VITA 41 VXS и VITA 46 VPX, но не ограничивает их применение указанными стандартами, включает в себя безвыводные компоненты модульного типа на основе технологии печатных проводников, составляющие платформу для организации конфигурируемых внутренних соединений. Гибкая инновационная платформа, разработанная компанией TE Connectivity, позволяет комбинировать контактные модули различного функционального назначения с целью оптимизации таких параметров, как компактность конструкции разъема, пропускная способность шины, целостность сигналов. Семейство может найти широкое применение в таких областях электроники, как авиационная и военная техника, вычислительная техника, медицина, промышленные системы управления. Семейство включает в себя контактные модули для передачи скоростных цифровых сигналов, контактные модули для обеспечения питания, систему механических направляющих ключей для обеспечения надежного электрического контакта. Применение сигнальных подложек, выполненных по технологии печатного монтажа, позволяет снизить себестоимость конечного решения. Помимо стандартных, выпускаемых TE Connectivity, подложки могут быть разработаны и произведены в соответствии со специфическими требованиями для конкретной задачи, такими как балансный/небалансный сигнал, волновое сопротивление (импеданс) линии, задержка на распространение, уровень перекрестных помех. Семейство разработано таким образом, чтобы при гибкой масштабируемости исключить из конструкции традиционное контактное поле и связанные с таким подходом технические проблемы. С целью уменьшения паразитных эффектов конструкции, контакты несущей платы выполнены по безвыводному принципу и монтируются на несущую плату методом опрессовки.

 

Рис. 1. Внешний вид разъемов MULTIGIG RT [1]

Рис. 1. Внешний вид разъемов MULTIGIG RT [1]

Ключевые преимущества серии MULTIGIG RT:

  • пропускная способность (для MULTIGIG RT1) до 3,125 Гбит/с;
  • плотность размещения сигнальных линий – 141 сигнал/дюйм (для семейства MULTIGIG RT1);
  • пропускная способность разъемов MULTIGIG RT2 – более 6,4 Гбит/с (продемонстрировано 10 Гбит/с);
  • плотность размещения сигнальных линий – 113 сигнал/дюйм (для семейства MULTIGIG RT2);
  • два варианта установки плат расширения в слот: с шагом Евромеханики 0,8 дюйма (20,3 мм), и 1,0 дюйм (25,4 мм);
  • соответствие системы контактов VME-стандартам: VITA 41 VXS и VITA 46 VPX;
  • жесткие условия эксплуатации;
  • безвыводный тип разъемов, упрощающий конструкцию несущей платы;
  • гибкость системы сигнальных подложек: дифференциальных с импедансом 100 Ом и небалансных с импедансом 50 Ом;
  • гибкость системы контактов питания.

Особенности конструкции

Семейство разъемов MULTIGIG RT включает в себя сигнальные модули следующих типов: левый и правый (полной и 1/2 ширины), центральный, автономный. Все сигнальные модули имеют угловое исполнение для монтажа на плату расширения, и прямое – на основную плату. Кроме сигнальных модулей серия включает механические направляющие, которые позволяют вслепую соединять плату расширения с основной в VME-крейте и обеспечить ESD-защиту.

В специализированных системах контактные и направляющие модули могут быть установлены на плату в произвольном порядке и любом количестве.

Далеко не полный перечень разъемов и направляющих элементов представлен в таблице 1. Более подробная информация расположена по адресу: http://www.multigigrt.com.

Таблица 1. Разъемы и аксессуары серии MULTIGIG RT
Стандарт Тип соединителя Положение соединителя Способ монтажа Код заказа
VITA 41 На основной плате Центральный модуль Прямой – опрессовка 1410135-1
VITA 41/46 На основной плате Центральный модуль Прямой – опрессовка 1410140-1
VITA 41/46 На основной плате Правый модуль Прямой – опрессовка 1410142-1
VITA 46 На основной плате Левый модуль (1/2 ширины) Прямой — опрессовка 1410186-1
VITA 41 На плате расширения Центральный модуль Угловой — опрессовка 1410147-1
VITA 41 На плате расширения Левый модуль Угловой — опрессовка 1410138-1
VITA 41 На плате расширения Правый модуль Угловой — опрессовка 1410139-1
VITA 46 На плате расширения Центральный модуль (для дифф. сигналов) Угловой — опрессовка 1410187-3
VITA 46 На плате расширения Центральный модуль (для небалансных сигналов) Угловой — опрессовка 1410190-3
VITA 46 На плате расширения Левый модуль (1/2 ширины) Угловой — опрессовка 1410189-3
VITA 46 Аксессуар Направляющий паз Угловой 1-1469492-1
VITA 46 Аксессуар Направляющий паз Угловой 1-1469492-3
VITA 46 Аксессуар Крепежный винт 1410946-1
VITA 46 На плате расширения Правый модуль Угловой — опрессовка 1410188-3
VITA 46 Аксессуар Направляющий штырь (паз) Угловой 1-1469492-9
VITA 46 Аксессуар Направляющий штырь Прямой 1-1469491-3

Дополнительный элемент гибкости серии разъемов MUTLIGIG RT заключается в том, что контактные группы имеют два варианта плотности размещения сигналов в разъеме: опция Tier 1 позволяет использовать 140 сигнальных контактов на дюйм ширины или 70 контактных пар для передачи дифференциальных сигналов, опция Tier 2 – 113 сигнальных контактов на дюйм или 56 контактных пар.

Рис. 2. Контактные модули и направляющие для основной платы

Рис. 2. Контактные модули и направляющие для основной платы

Рис. 3. Контактные модули и направляющие для платы расширения

Рис. 3. Контактные модули и направляющие для платы расширения

 

Внешний вид разъемов, предназначенных для монтажа на основную плату, приведен на рисунках 2, 3. По названию контактных модулей становится понятным способ их расположения на плате: левый модуль должен быть установлен на несущей плате слева от центрального, правый – справа, соседние разъемы имеют направляющие выступы и пазы, при помощи которых они соединяются друг с другом для лучшей фиксации. Автономный контактный модуль может быть установлен на некотором расстоянии от центрального и крайних, т.к. не содержит направляющих пазов и выступов.

Как было сказано выше, электрическое контактирование в разъеме обеспечивается посредством сигнальных подложек, расположенных в контактных модулях платы расширения. В зависимости от конкретной задачи пользователь может выбрать топологию подложки (рисунок 4).

Рис. 4. Варианты исполнения сигнальных подложек

Рис. 4. Варианты исполнения сигнальных подложек

Перечень сигнальных подложек серии MULTIGIG содержит несколько вариантов, отличающихся друг от друга типом сигнала, передаваемого по линии – дифференциальным с импедансом 100 Ом, небалансным с импедансом 50 Ом либо питающим. При необходимости компания TE Connectivity предлагает разработку уникальных сигнальных подложек, соответствующим специфическим требованиям пользователя.

Контактные модули разъемов серии MULTIGIG RT монтируется на несущую плату методом опрессовки. По сравнению с технологией поверхностного монтажа это позволяет снизить паразитную емкость контакта, а также соседних сигнальных проводников.

 

Заключение

Разработанная компанией TE Connectivity серия разъемов MULTIGIG RT представляет собой гибкую платформу для обеспечения соединений при модульном исполнении сложных цифровых систем. Полностью отвечает требованиям VME-стандартов VITA 41, VITA 46, и позволяет обеспечить высокое качество электрического контакта для современных последовательных шин со скоростью цифрового потока свыше 6.4 Гбит/с. Серия может найти широкое применение в аэрокосмических приложениях, военной технике, аппаратных платформах для распределенных вычислений, в оборудовании с жесткими условиями эксплуатации.

 

Литература

  1. ENG_CS_1773095_Backplane_Connector_MULTIGIG_RT_0512.pdf;
  2. http://www.vita.com;
  3. http://www.rtsoft.ru.

Получение технической информации, заказ образцов, заказ и доставка.

Наши информационные каналы

Теги:
Рубрики:

О компании TE Connectivity

Продукция TE Connectivity, широко известная на российском рынке под брендом Tyco Electronics, насчитывает более полумиллиона наименований, включающих не только электрические соединители и терминалы, но также реле, изделия для ВОЛС, устройства защиты электрических и сигнальных цепей, сенсорные экраны. Изделия компании используются в производстве потребительской электроники, в электроэнергетике, в медицинской, автомобильной и аэрокосмической электронике, в телекоммуникационной индустрии. На сег ...читать далее