使用適當的纜線組件，確保高速數據通訊的訊號完整性

電子系統架構需要更快的數據傳輸率和更高階的調變機制，尺寸也必須更緊湊。這會導致印刷電路板 (簡稱 PCB) 的佈局更複雜，因為設計人員要將傳輸線路的損耗減到最低，並降低對雜訊、反射和串音的易感性，以便維持訊號完整性並滿足最大位元錯誤率 (BER) 的要求。另外，IC 或板對板之間的電氣或光學多通道訊號，也需要達到最小的訊號偏斜，尤其是差動訊號對。

為了因應這些需求，有個方法就是使用高速纜線組件，而非單純仰賴電路板走線，這樣一來，就可使用標準基板，進而避免付出更高昂的成本。這些高速纜線組件採用單端與差動配置、先進的材料，以及各種提供出色訊號完整性的技術，並以銅材或光纖支援高密度的多通道訊號路徑。某些實作的運作速率可高達 64 Gbps。

本文會先探討推動升速需求的原因以及如何因應此需求。接著會介紹 Samtec 的高速纜線組件，並說明其功能和用途。

對速度的需求

世界渴求更快的通訊速度。5G 和 6G 蜂窩通訊、人工智慧 (AI)、量子運算和「大數據」等應用，都帶動新的系統架構，並要求更大的頻寬以及更快的傳輸率，同時縮小裝置和系統的尺寸。這些發展中的技術，需要的互連，必須可提供最高的訊號完整性，並在具有雜訊、串音、反射、電磁干擾以及其他損耗與干擾源時，仍保持高訊噪比 (SNR)。

隨著速度提高，連接技術也必須有所調整。首先，單端訊號傳輸目前被差動訊號連接取代，前者以一條參照返回路徑 (通常稱為「接地」) 的單線來承載資料，後者則以兩條電線來承載 180° 反相的資料訊號。差動訊號傳輸能抑制兩條導線共同的雜訊 (共模雜訊)，進而改善 SNR。其次，資料編碼正從每個時脈週期單一位元的非歸零 (NRZ) 編碼，變成每個時脈週期多個位元，例如 4 級脈衝振幅調變 (PAM4，即每個時脈週期編碼四個不同的層級或兩個位元) (圖 1)。

圖 1：NRZ 資料 (右) 的眼圖有兩種狀態：每個時脈週期 1 或 0；PAM4 (左) 有四種狀態：每個時脈週期 00、01、10 和 11。(圖片來源：Art Pini)

PAM4 使用四個層級 (編碼為 00、01、10 或 11)，在每個時脈週期中裝入兩個位元的資料。如此一來，固定時脈率的數據傳輸率就可倍增，但因為資料狀態之間的振幅變化較小，會導致 SNR 降低。因此，PAM4 訊號傳輸需要更高的訊號完整性。

傳輸線路效能的特性化

無論是印刷電路佈線還是纜線，通常皆以散射參數 (S 參數) 在頻域內進行傳輸線路效能的特性化。S 參數係根據輸入和輸出端觀察到的電氣行為來描述裝置的特性，但對裝置內部的特定元件一無所知。測得的 S 參數會當作幾個效能指數 (FoM) 的基礎，並用這些指數來描述纜線等雙埠型裝置。最常用的 FoM 為：

• 插入損耗：即訊號從纜線輸入端傳播至輸出端所經歷的衰減，以 dB 為單位計算 (理想的傳輸線路，插入損耗為 0 dB)
• 回波損耗：當輸出端阻抗值不匹配導致訊號反射時，便會發生回波損耗 (以 dB 計)
• 串音：鄰近接線造成不想要的訊號耦合至傳輸線路中，串音是指此類訊號的測量值 (以 dB 計)

其他該瞭解的 FoM 還包括傳輸線的傳播延遲以及時間偏斜。傳播延遲係指訊號經由傳輸線路傳播的時間延遲。時間偏斜是指兩條或多條傳輸線路上不同訊號的時間差。

傳輸線路選項

對於現代數據通訊標準的高頻多通道配置來說，若使用傳統的 PCB 基板設計作法，要在符合成本效益的方式下滿足 FoM 的要求，其實有所難度。為了克服障礙，Samtec Inc. 運用自行研發的 Eye Speed 超細同軸與雙軸纜線開發出高速纜線組件，以低損耗及出色的訊號完整性而享譽業界。這些纜線整合於多通道纜線組件中，且因結構獨特，可提供優異的效能 (圖 2)。

圖 2：此為 Eye Speed 超細同軸 (左) 與雙軸 (右) 纜線結構的細部圖，這些纜線以低損耗及高訊號完整性而享譽業界。(圖片來源：Samtec)

Eye Speed 同軸纜線可提供中心絞合的 26 至 28 號美國線規 (AWG) 導線。此同軸纜線結構可達到高彈性和輕盈小巧的特點，對於長距離佈線來說特別重要。

介電質是一種由低介電常數、空氣發泡的氟化乙烯丙烯共聚物 (FEP) 擠壓成型的固體。發泡會造成空氣進入，進而產生高訊號速度。此纜線系列提供金屬螺旋包覆、膠帶或編織屏蔽類型等選擇，可用於提升訊號完整性。

Eye Speed 雙軸纜線結構使用 28 至 36 號 AWG 鍍銀銅導線。較大的電線尺寸可提供較低的插入損耗，而較小的電線則可提供較大的彈性。將介電質「共擠」能提升訊號完整性和頻寬，達到 28 至 112 Gbps 的傳輸率。設計小巧能讓訊號導線之間緊密耦合，同時還能縮小間距，讓纜線組件內部更緊密。數據時脈速度為 14 GHz (56 Gbps PAM4) 時，0.25 公尺的 Eye Speed 雙軸纜線的插入損耗介於 -1 至 -2.2 dB 不等，視電線直徑而定。雙軸纜線導線之間的計時偏斜為每公尺低於 3.5 ps。這兩種纜線均支援 Samtec 的 Flyover 技術。

什麼是 Flyover 技術？

Samtec 的 Flyover 技術利用 Eye Speed 纜線組件高頻寬和低損耗的特點，可取代板載匯流排結構，進而大幅降低損耗 (圖 3)。

圖 3：相較於低損耗或超低損耗的背板材料，Flyover 技術使用 Eye Speed 纜線大幅降低損耗，並提供 14 GHz 和 28 GHz 時脈率。(圖片來源：Samtec)

由於電路板層數的需求減少，Flyover 技術可針對 28 Gbps 以上的數據傳輸率簡化電路板佈局。此外也可使用成本較低的電路板材料。

Samtec 纜線組件

Eye Speed 超細同軸纜線和雙軸纜線組件的款式眾多。這些組件是一種高密度陣列，具有諸多特點 (例如一體式接地面、無極性連接器、防拉)，並提供多種連接與閂鎖選項。

舉例而言，ARC6-16-06.0-LU-LD-2-1 是一款纖薄的插頭對插頭直連纜線組件，具有 16 對訊號對，長度為 152.4 mm(6 in)，並支援 64 Gbps PAM4 訊號傳輸 (圖 4)。

圖 4：ARC6-16-06.0-LU-LD-2-1 是一款直連纜線組件，具有 16 個差動訊號對，可支援 64 Gbps PAM4 訊號傳輸。(圖片來源：Samtec)

這款組件包含 16 條超低偏斜雙軸纜線，採用高密度雙排設計，分為 32 個觸點，間距為 0.635 mm (0.025 in)。觸點直接焊在雙軸導線上，可達到最佳訊號完整性。纜線為 100 Ω 差動纜線，採用 34 AWG 電線，並提供 8 對與 24 對配置。工作溫度範圍介於 -40 °C 至 +125 °C。

ERCD-020-12-00-TEU-TED-1-B 是一款卡緣對卡緣纜線組件，包含兩排各二十條的單端 50 Ω 同軸纜線和一個含有 40 個觸點的連接器 (圖 5)。纜線長度為 305 mm (12 in)。

圖 5：ERCD-020-12-00-TEU-TED-1-B 纜線組件，使用具有 34 號 AWG 中心導線的單端同軸纜線。觸點間距為 0.80 mm (0.0315 in)。(圖片來源：Samtec)

同軸纜線使用多條 34 號 AWG 中心導線，且排列成一條帶狀纜線。連接器間距為 0.80 mm (0.0315 in)。這些纜線可額定處理 14 Gbps 的訊號。連接器使用擠閂鎖定機構，可確保有效配接。或者也有提供每排 10 至 60 條纜線的組件，並提供多種閂鎖機構。工作溫度範圍皆為 -25 °C 至 +105 °C。

HLCD-20-40-00-TR-TR-2 纜線組件使用兩排各十條 50 Ω 單端纜線，長度為 1.02 m (40 in)。此產品提供四十個觸點，觸點間距為 0.5 mm (0.0197 in) (圖 6)。

圖 6：HLCD-20-40.00-TR-TR-2 纜線組件使用自配接的無極性連接器。(圖片來源：Samtec)

無極性連接器具有能和同一連接器配接的引腳及插槽。這種連接器可用於無需進行觸點極化的應用，例如雙向資料對。

HLCD-20-40.00-TR-TR-2 提供標準或延伸工作溫度範圍，分別為 -25°C 至 +105°C 或 -40°C 至 +125°C。

HQDP-020-12-00-TTL-TEU-5-B 纜線組件使用兩排 100 Ω、30 號 AWG 雙絞線纜線。組件長度 305 mm (12 in)，使用 20 條纜線和插頭對卡緣連接器，額定工作速率為 14 Gbps (圖 7)。

圖 7：HQDP-020-12-00-TTL-TEU-5-B 組件具有插頭對卡緣連接器，以及兩排 100 Ω 雙軸纜線。(圖片來源：Samtec)

此系列提供 20、40 或 60 條纜線的款式，及多種表面與邊緣安裝連接器，連接器間距為 0.5 mm (0.020 in)。

結論

現今數據傳輸率提高，持續推動設計人員尋求創新的方法來確保訊號完整性。與 Samtec 合作，就能跳脫傳統多通道電路板訊號傳輸匯流排的限制，並利用多種經濟實惠的高效能彈性纜線組件，這些組件就可符合甚至超越現今通訊應用的規格。