Il condizionamento dei segnali migliora l’affidabilità e la qualità dei servizi in rete

I moduli di ricondizionamento segnali Pericom consentono di abbattere gli errori tipici di attenuazione e jitter in tutte le moderne connessioni ad alta velocità

Pubblicato il 30 novembre 2015

La molteplicità delle forme d’onda e dei parametri caratteristici dei segnali costringe a effettuarne sempre un adattamento preliminare a qualsivoglia tipo d’interfaccia specialmente quando si tratta di sensori di acquisizione.

Fig. 1 – Attenuazione e jitter possono degradare i simboli e introdurre errori che si moltiplicano propagandosi nelle reti a meno che non si installino opportuni moduli di ricondizionamento segnali

Quasi tutti i sensori sono inevitabilmente analogici perché forniscono un segnale analogico di tensione o di corrente che riproduce l’andamento nel tempo di ciò che viene misurato, indipendentemente dalla natura della misura.

Tuttavia, i parametri elettrici del segnale generato vanno adattati ai circuiti di elaborazione successivi fra i quali sono basilari uno stadio di filtraggio e amplificazione e poi uno stadio di conversione analogico/digitale che genera alla fine una sequenza di bit corrispondente al segnale originale ma conforme ai processi di elaborazione numerica che avvengono nelle unità di calcolo.

Il condizionamento può essere fatto in varie modalità a seconda del tipo di segnale e dei chip interessati a ciascuna applicazione e, nella forma più semplice, consiste in un “bias&level” ovvero nell’adattamento del livello zero di riferimento e del guadagno di amplificazione necessari affinché tensione e/o corrente del segnale prodotto dal sensore siano allineate con l’ingresso dello stadio di elaborazione. Al crescere della complessità dei segnali analogici si possono eventualmente aggiungere ulteriori adattamenti necessari per allineare le bande di frequenza utilizzate, l’impedenza delle interfacce oppure le interferenze elettromagnetiche eventualmente presenti dopo il filtraggio preliminare.

I problemi aumentano allorquando i segnali presentino caratteristiche non lineari difficilmente addomesticabili con i comuni processi di elaborazione e in questi casi c’è da lavorare un po’ di più o per costruirsi un circuito di condizionamento analogico custom oppure per cercare sul mercato un microcontrollore con una dotazione di interfacce che soddisfi alle proprie esigenze applicative.

figura 2 eye

Fig. 2 – I ReDriver Pericom ricostruiscono il diagramma a occhio corretto dei segnali con due semplici filtri di equalizzazione in ricezione e pre-enfasi in trasmissione

L’imprevedibilità degli errori

Queste problematiche permangono anche una volta ottenuto il segnale numerico perché bisogna fare in modo che viaggi fra gli integrati, le schede, i connettori e i cablaggi conservando riconoscibili tutti i bit che lo compongono mentre passa attraverso un gran numero di interfacce ed è perciò necessario implementare più fasi di condizionamento per garantire l’integrità dei simboli. Il tutto si complica con la promessa della condivisione in cloud dei contenuti più disparati perché ciò significa moltiplicare all’inverosimile le interfacce attraversate dai segnali e quindi in proporzione anche la probabilità di deteriorare i simboli.

L’integrità dei simboli è direttamente proporzionale al tasso d’errore BER (Bit Error Rate) e perciò il condizionamento dei segnali diventa determinante per eliminare il degradamento introdotto dall’attenuazione e dai jitter al fine di garantire un adeguato livello di qualità sui servizi in rete. In breve, l’attenuazione è la perdita di energia corrispondente a un calo d’intensità che subisce un impulso mentre viaggia in un mezzo trasmissivo (cavo o etere) ed è maggiore quando aumentano la distanza percorsa e/o la velocità di transito, mentre i jitter sono errori introdotti sui simboli dalla mancanza di sincronizzazione dei vari clock di temporizzazione e possono manifestarsi come difetti di ampiezza, frequenza e/o fase nei simboli che poi continuano il loro viaggio conservando il difetto e alla peggio amplificandolo. In effetti, i margini d’errore tollerabili a ogni passaggio attraverso ciascuna interfaccia diminuiscono sempre più perché anche i piccoli errori possono creare disallineamenti che si amplificano man mano che si propagano in rete.

figura 3 perusb

Fig. 3 – ReDriver Pericom PI3EQX7841 è pensato per migliorare le connessioni USB 3.0 con velocità di 5 Gbps e può essere utilizzato anche nei sistemi d’infotainment automotive

Questi fenomeni hanno il fastidio di essere casuali e diventano ogni anno più deleteri a causa del continuo diminuire delle geometrie di riga utilizzate nel disegno dei transistor che di conseguenza restringono sempre più le soglie di tolleranza elettrica. Quello che ci vuole per far fronte a tali problematiche è una tecnica di condizionamento automatizzata implementabile in tutti i sistemi circuitali e capace di equalizzare i parametri elettrici dei segnali e abbattere i rischi d’errore.

Sono i circuiti analogici e le comunicazioni a offrire la soluzione più adatta alle applicazioni numeriche perché i dispositivi noti come ripetitori diventano ora “redriver” e consentono di riallineare i valori elettrici degli impulsi mettendo a posto anche gli errori di sincronizzazione ma senza bisogno di ricevere il segnale, elaborarlo e poi ritrasmetterlo con tre stadi circuitali appositi che introducono forzatamente del ritardo non trascurabile.

In pratica, bastano due filtri posti all’ingresso e all’uscita in modo tale da aggiungere ai simboli del segnale da trasmettere una pre-enfasi che viene neutralizzata all’ingresso del filtro di ricezione del modulo successivo con un’opportuna equalizzazione (o de-enfasi) che fa sparire gli errori di attenuazione e jitter ricostruendo il segnale originale. Disseminando i punti cruciali delle reti con moduli di questo tipo è possibile garantire la massima qualità dei segnali a livello fisico.

figura 4 combo

Fig. 4 – Il modello combo PI3EQX862 misura 2×2 mm e consente di equalizzare i segnali PCIe 3.0, Sata3 e USB 3.0 a bordo dei prodotti palmari come tablet e smartphone

Non repeater ma redriver

Pericom è stata fondata per sviluppare e commercializzare circuiti integrati ad alta velocità per le schede elettroniche industriali fra cui commutatori, traslatori di tensione, alimentatori, interruttori, interfacce ibride, decoder audio e video, oscillatori al cristallo, temporizzatori standard, buffer e temporizzatori in tempo reale (Real Time Clock). La missione della società è stata fin dall’inizio quella di realizzare prodotti capaci di rendere la connettività più affidabile in modo da eliminare o abbattere al minimo qualsiasi tipo di probabilità di errore a livello delle interfacce.

Il prodotto di punta è costituito dai moduli ReDriver/Repeater per il ricondizionamento dei segnali che possono venire alterati dai trasferimenti in rete attraverso la moltitudine delle interfacce presenti. Questi moduli sono proposti nelle configurazioni adatte a tutte le connessioni più comuni quali Ethernet, XAUI, SATA, SAS, USB, HDMI, DisplayPort e PCIe e possono fare la differenza nella qualità del servizio di una rete perché compensano le perdite tipiche dei canali di comunicazione e delle interfacce di connessione rigenerando l’integrità dei segnali originaria.

I laboratori della società continuano a sfornare brevetti e ultimamente hanno aggiunto dei nuovi modelli pensati per le interfacce PCI Express 2.0 a 5 Gbps e 3.0 a 8 Gbps, i bus USB 3.0 fino a 5 Gbps, le connessioni 10 Gbps Ethernet e persino per le piste di collegamento delle memorie DDR3/4 nelle quali si può arrivare a 3200 GT/s (miliardi di trasferimenti al secondo). I ReDriver o Repeater IC Pericom possono correggere, anzi “riaprire”, i diagrammi a occhio che arrivano quasi completamente chiusi a causa dell’interferenza intersimbolica e perciò possono essere convenientemente disseminati a bordo di un’infinità di apparecchi elettronici industriali, embedded e consumer per risolvere qualsiasi dubbio sulla qualità dei segnali e sull’affidabilità delle applicazioni.

Pericom produce decine di versioni dei suoi ReDriver/Repeater e ha recentemente aggiunto quattro nuovi modelli tutti ad alta velocità. PI3EQX8908 e PI3EQX8984 implementano quattro coppie di linee ossia otto canali ReDriver/Repeater con caratteristiche adatte per i bus seriali PCIe 1.0/2.0/3.0 con velocità tipica di 2.5, 5.0 e 8.0 Gbps. L’escursione massima del segnale in tensione è di 1,3V picco-picco e a bordo ci sono le interfacce di programmazione I2C e Pinstrap che consentono di regolare i filtri e il guadagno dell’amplificazione ma si può facilmente affiancare una Eeprom esterna per memorizzarne la configurazione. I due chip si differenziano per il package Tqfn con 54 pin Flow Through nel primo e 72 Interleave pin nel secondo.

ReDriver PI3EQX7841 implementa una linea bidirezionale ossia due canali con caratteristiche appositamente pensate per i bus USB 3.0 con velocità di 5 Gbps. L’escursione ammessa per la tensione è di 1 Vp-p e a bordo del package Tqfn a 20 pin ci sono anche le interfacce I2C e Pinstrap per la programmazione. Questo chip è particolarmente robusto e tollera le temperature da -40 a +85 °C ragion per cui oltre che per migliorare l’affidabilità delle connessioni fra computer, tablet e smartphone può essere usato anche nei sistemi d’infotainment automotive. Il modello PI3EQX862 è di tipo combo con una linea bidirezionale e due canali specifici per le interfacce PCIe 3.0, Sata3 e USB 3.0 con velocità fino a 8 Gbps e massima escursione dei segnali in tensione di 1,2 V. Il package è Tqfn a 18 pin da 2×2 mm con interfaccia di programmazione Pinstrap e caratteristiche adatte all’uso negli apparecchi portatili quali notebook e tablet.

Lucio Pellizzari



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