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High-Speed Signale

Lineare Entzerrung in Multi-Gigabit-Systemen

| Autor / Redakteur: Lee Sledjeski * / Kristin Rinortner

Bild 1: Impulsantwort nach einer 254 mm langen FR4-Leiterbahn mit bzw. ohne CTLE
Bild 1: Impulsantwort nach einer 254 mm langen FR4-Leiterbahn mit bzw. ohne CTLE (Bild: TI)

Die lineare Entzerrung ist wichtig für die Aufbereitung schneller Signale. Sie gewährleistet einen robusten und fehlerfreien Betrieb bei seriellen Protokollen wie 10GbE, PCIe und SAS.

Die moderne Elektronik verlangt in einem hohen Maß eine Signalentzerrung. Man könnte meinen, dass dies ein relativ neues Phänomen ist. Jedoch gibt es Beispiele für eine lineare Entzerrung bereits in Telekommunikations-Systemen, die weit über ein Jahrhundert alt sind.

Die zeitkontinuierliche lineare Entzerrung (Continuous Time Linear Equalization – CTLE) ist nur ein Bestandteil eines größeren Ökosystems zur Signalaufbereitung, das in modernen Systemen Hilfestellung beim Senden und Empfangen schneller digitaler Signale leisten soll.

Diese Kompensation oder Aufbereitung digitaler Signale wird in Senderichtung meist als Vorverzerrung (Emphasis), in Empfangsrichtung dagegen als Entzerrung (Equalization) bezeichnet.

Lineare Entzerrung und ihre Anwendungen

Unter Entzerrung versteht man einen Prozess bzw. eine Technik zur Wiederherstellung des Gleichgewichts zwischen den verschiedenen Frequenzkomponenten eines elektronischen Signals. Verdeutlichen kann dies eine einfache Analogie aus der Audiotechnik: hier werden Audio-Equalizer häufig zum Anheben von Frequenzkomponenten verwendet, die sich mit Lautsprechern schlechter wiedergeben lassen oder die das menschliche Ohr nicht so effizient wahrnimmt.

Ähnliche Effekte treten auf, wenn es sich nicht um Audio-Lautsprecher handelt, sondern um Signale auf einer Leiterplatte oder in einem Kabel. Sobald schnelle Signale ein Übertragungsmedium durchlaufen, führen die physikalischen Eigenschaften des Leiters und des umgebenden Dielektrikums zu einer stärkeren Abschwächung der höherfrequenten Anteile.

Die Wirkungsweise der CTLE-Technik

Moderne Telekommunikations-Standards müssen höhere Datenraten nutzen und spezifizieren, um dem ständig wachsenden Bedarf an aktuellen Informationen rund um den Globus gerecht zu werden. Folglich ist es nahezu sicher, dass die CTLE-Technik auch weiterhin in seriellen Daten-Standards Verwendung finden wird, die jetzt und in der Zukunft entwickelt werden. Allgemein betrachtet, sorgt die von den CTLE-Schaltungen erzeugte lineare Verstärkung bzw. Anhebung hoher Frequenzen dafür, dass die Hüllkurve ankommender Signale erweitert wird.

In Kombination mit digitalen Entzerrungs-Strategien wie etwa DFE (Decision Feedback Equalization; dt.: entscheidungsrückgekoppelte Entzerrung) kann die CTLE-Technik die Voraussetzungen für einen robusten Signalempfang auch bei solchen Signalabschwächungen schaffen, bei denen die DFE-Technik allein überfordert wäre. Tiefere Einblicke bieten Diagramme im Zeit- und Frequenzbereich, die die allgemeinen Eigenschaften der CTLE-Technik verdeutlichen und zeigen, wie sie sich auf ein Augendiagramm auswirken.

In Bild 1 ist im Zeitbereich die Impulsantwort nach der Übertragung über eine 254 mm lange Leiterbahn auf einer FR4-Platine mit einer differenziellen Ausgangsspannung von 800 mVPP dargestellt. Am anderen Ende des Übertragungsmediums zeigt sich, dass sich die Amplitude des Impulses halbiert hat. Außerdem hat sich die Energie der fallenden Flanke bis deutlich über die ursprüngliche Bitbreite bzw. UI-Grenze (Unit Interval) hinaus ausgebreitet.

Im vorliegenden Beispiel wurde der Equalizer DS125BR820 von Texas Instruments an das andere Ende des Übertragungsmediums angeschlossen, um zu demonstrieren, wie die CTLE-Technik funktioniert und wie effektiv sie den durch Kanalverluste hervorgerufenen Jitter reduziert. Wenn der CTLE-Level nach und nach angehoben wird, um sich dem Kanalverlust anzupassen, gelingt die Wiederherstellung der Impulsamplitude und die Eliminierung der störenden Einflüsse auf benachbarte Bits.

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