對于200Mbps以上速率的信號，如果忽略寄生阻抗和阻抗不連續性的問題，將會在傳輸線上產生增加性噪音，并出現資料位元誤碼。本文將以基礎型高畫質數字視頻路由器的處理方式為例，詳細解說上述問題。

　　當資料傳輸速率位于400Mbps至1.5Gbps之間時，信號路徑（signal path）就會形成傳輸線（transmission line）。在這個傳輸速度范圍內，信號路徑模型必須包括電纜或底板中的電抗性寄生分量。高速資料傳輸帶來的問題不僅僅是資料傳輸速率本身的問題，快速的信號邊緣變換率包含甚至更高的頻率分量，這些高頻分量在分布式阻抗環境中的傳輸性能更差。對于200Mbps以上速率的信號，如果忽略寄生阻抗和阻抗不連續性的問題，將會在傳輸線上產生增加性噪音，并出現資料位元誤碼。

　　高速信號傳輸實例分析

　　面對上述的問題，我們以基礎型高畫質（High-Definition，HD）數字視頻路由器的處理方式為例進行解說。HD視頻路由器可管理來自于廣播、工作室或者節目制作設備之間的多項HD節目來源資料串流。HD視頻管道是在270Mbps到高達1.485Gbps的速率范圍內運作，它需要被仔細地設計并採用一致的設計方法，以確保交換路由器系統不會降低視頻資料的完整性。

　　圖1︰高畫質視頻路由器圖解。

　　在圖1的這個系統中，可適應均衡器（EQ）直接由BNC連接器接收HD信號。一個公共底板將信號從輸入卡連接到開關卡，以輸出到目標信號管道。信號從EQ經過近8英寸的PCB，點對點傳輸到底板連接器，然后透過3到15英寸的底板（長度取決于所使用的插槽類型）傳輸到第二個連接器，之后再經過8英寸的PCB到交叉點開關元件的輸入。一個重組時脈（re-clocker）/線纜驅動器直接連接到交叉點開關的輸出以驅動信號在電纜上的傳輸。這些HD視頻路由器系統已模組化，可能具有8個到1000個輸入/輸出信號管道。也因為如此，信號密度可能非常高。

　　圖2︰信號路徑上阻抗TDR圖實例。

　　一般的FR4電路板材料是屬于阻抗一致的環境，但是分散式寄生阻抗對訊號質量會產生負面的影響。影響最大的部份，是因大量工作在高于基本的資料速率的頻率分量產生的快速上下邊緣變換率，所引起的信號損耗和緩慢轉換時間。除此之外，在元件間（例如BNC連接器、積體電路、電路板不同層之間的過道孔，或者板子之間的連接器）的互相聯結可能導致與特征阻抗（Z0）的阻抗誤配，這也會影響到信號品質（如圖2）。密集的底板連接器會為訊號路徑增加感性負載，而PCB的過道孔增加了信號路徑的容性負載。

　　在信號傳輸路徑上，任何存在阻抗改變的地方都可能出現信號反射。這些反射和寄生阻抗將導致信號幅度的損耗、環狀波、上升時間變長和EMI等問題。在本文的范例系統中，從EQ輸出到交叉點開關的輸入之間FR4電路板長度預計長達31英寸，在這個路徑上H會出現幾個阻抗不連續的情況。如果沿著這個路徑的入射邊緣（incident edge）速度為175到200 ps/英寸，資料速率為1.485Gbps（半波長 = 343 ps），那么在任何所給予的時間都存在多達18個傳換邊緣。阻抗不匹配的入射邊緣產生的反射，將影響到信號路徑上出現的所有信號變換邊緣。從信號邊緣1到信號邊緣17的反射在到達信號路徑終端時，將使第18個信號邊緣嚴重地失真。結果得到的眼形圖（圖3）顯示了幅度損耗、額外的抖動以及上升/下降時間變化。

　　圖3︰經過長達31英吋的FR4電路板傳輸后，交叉點開關輸入處的眼形圖。

　　提升信號傳輸品質的方法

　　對于這種挑戰的一個解決方案是在子卡和底板之間使用高品質的連接器，這將使連接器的不連續性最小。更好的過道孔設計將進一步使TDR測量圖扁平化，如此一來，將使得這個長度的信號路徑的實際阻抗將與Z0非常接近。

　　另外一種更具成本效益的解決方案，是使用一個簡單的LVDS緩沖器來驅動和接收底板上傳來的信號。它會將信號傳輸路徑再細分為很短的區段，以遮蔽阻抗誤配的問題，并減少信號衰減。

　　在子卡的邊緣放置一個緩沖器以驅動連接器和底板，再透過交換子卡上的另外一個緩沖器用來接收信號（圖4），并重新驅動這些信號到交叉點開關的輸入，以有效地隱藏兩個緩沖器之間的阻抗不連續（圖5）。正確的阻抗終結也能確保接收器吸收線路中的所有能量，使這些信號不會反射回來源端。

　　圖4︰利用緩沖器來克服阻抗的不連續問題。

　　圖5︰采用緩沖器隔離底板連接后在交叉點輸入的信號眼形圖。

　　除此之外，緩沖器通常還能增強信號品質，改善原始信號。舉例而言，具有輸入均衡的緩沖器將在底板上傳輸信號之前消除媒質損耗帶來的定量性抖動（deterministic jitter）。輸出已預先加強信號的功能可增大信號幅度，使得在交叉點輸入或接收器處的眼形圖更為開闊。在緩沖器I/O上，較高的ESD極限可保護子卡上的其他元件免受底板上其他位置發生的ESD意外事件而損壞。

　　LVDS緩沖器的功能

　　下面將以一種四通道1.5 Gbps LVDS的緩沖器/中繼器為例進行說明。該元件的高速資料路徑和直通管腳使元件內部產生抖動最小，并簡化電路板設計。其可配置的預先加強信號功能，可以克服底板和電纜損耗帶來的ISI抖動效應。位差輸入和輸出在內部用100Ω的電阻終結以改善性能，并減小電路板尺寸。增強信號強度的中繼器功能對于在高損耗的電纜和底板上長距離傳輸信號來說，特別有用。

　　圖6︰四通道1.5 Gbps LVDS的緩沖器/中繼器典型應用。

　　LVDS緩沖器具有帶電插接保護及15kV靜電釋放保護功能，可以加強底板及電纜的抗干擾能力，能保證現場可編程式陣列（FPGA）及專用積體電路（ASIC）傳送的信號的完整性。其應用范圍包括電信、資料通信、工業系統、醫療設備、汽車電子系統及辦公室圖像系統等，典型應用如圖6所示。LVDS緩沖器可以透過普通的底板或簡單的電纜配置驅動4個LVDS時鐘及/或資料通道。由于這款晶片的位差輸入電壓范圍較寬，因此很易接受LVDS、低電壓正射極耦合邏輯（LVPECL）或電流模式邏輯的輸入電平，而且輸出電平完全符合LVDS的規格要求。

　　做為范例的LVDS緩沖器晶片的資料傳輸率高達1.5Gbps，而且系統設計工程師更可利用這款晶片的可配置輸出預增強功能將輸出加以“加強驅動力”，以便為容易出現信號損耗的互連線路提供補償。此外，對于必須盡量節省用電的應用（如冗余應用），若晶片的4條通道都暫停操作，系統可以透過低功耗模式將功耗降至最低。

　　總結

　　跨底板的高速介面需要在整個信號路徑上控制阻抗。采用簡單型LVDS緩沖器來隔離阻抗不連續或者縮短互聯長度可以降低系統成本；并且也因為不需使用高成本的高頻連接器，進一步提升介面的運作效能。