差動伝送路のケーブル・コネクターの選び方と設計上の注意：高速シリアル伝送技術講座（8）（2/5 ページ）

[河西基文（ザインエレクトロニクス），EDN Japan]

クロック埋め込み型SerDesのケーブルの要件

　図5のクロック埋め込み型SerDes（8B10Bや10B12B〜64B66B系）では、クロック情報がシリアルデータに埋め込まれており、シングルレーンではペア間スキューの制限はありません。

図5：1lane クロック埋め込みSerDes（例：V-by-One HS 8B10B SerDes）

　マルチレーンでもペア間スキューの制限はUI（Unit Interval）単位となり大幅に緩和されるため、ペア間スキューの問題は回避できます。しかし、LVDS SerDesと比較するとシリアルレートが高速になるため、伝送距離はデバイスで補償可能な伝送路「PCB＋コネクター＋ケーブル」のインサーションロス（伝送損失）に依存することになります。

　以下では3Gビット/秒（bps）［帯域1.5GHz］で動作するクロック埋め込み型SerDes（もしくは外付けイコライザー付き）を例に、ケーブルのインサーションロスとケーブル長の関係を説明していきます（ここではPCBとコネクターの伝送路損失は限定的として無視します）。

　まずシリアライザーの出力はプリ／デエンファシスなし（0dB）、デシリアライザー内蔵もしくは外付けのCTLE^＊1）イコライザーのACゲイン（ケーブルインサーションロス特性の補償／図6-2）は1.5GHzで12dBの設定とします。

図6：SerDes設定条件と入力EQ設定

　この設定では、表1の導体太さ（AWG：American Wire Gauge）の違いによるケーブルインサーションロスのグラフより、周波数1.5GHz時の減衰量（縦軸）を参照すると、AWG24番線（銅線直径0.5mm）差動ケーブルで10m程度の伝送が可能なことが分かります。またAWG30番線（銅線直径0.25mm）の細い差動ケーブルでは、1.5GHzで比較するとインサーションロスが2倍程大きく伝送距離は半分になります。AWG28番線では同様の計算でAWG24の3分の2程度の距離になります。

　このようにケーブルのインサーションロスの特性を把握することで、使用デバイスにおける各ケーブルのおおよその伝送距離を見積もれます（アダプティブイコライザー付き製品を使用する場合は、推奨ケーブルでの最大ケーブル長のインサーションロスと他のケーブルのロスを比較します）。

表1：AWG（導体太さ）の違いによるインサーションロス比較（10m）（差動：赤系は同誘電体使用）

　表1上側青系のグラフは同軸ケーブルのインサーションロス（10m）を記載しています。このロス特性から、デバイスの高速シリアルI/O（もしくは追加のドライバー・レシーバーで）で図7のようにシングルエンド信号をサポートする場合、ロスの少ない誘電体を使用した太めの同軸ケーブルで大幅なケーブル延長が可能なことが分かります。

図7：CML差動物理層 シングルエンド信号インタフェース

　例えば無線で使用される安価な5D-FB 50Ω高周波同軸ケーブル（外寸直径約7.5mm）では、同条件でAWG24の差動ケーブルの4倍程度まで、3割細い3D-FB（外寸約5.5mm）では3倍程度まで、伝送距離の延長が可能になります。

　このグラフでは一般的な材質のケーブルインサーションロスを記載していますが、これ以外にも低誘電正接／低誘電率の誘電体を使用したローロスのケーブルが用意されており、高速長距離伝送で使用されています。

表2：ローロス同軸ケーブル 100mのインサーションロス（減衰量）グラフ（資料提供：カナレ電気）

　ローロスケーブルを使用した場合、高速の電気信号で最大どの程度まで長距離伝送が可能か、皆さん興味があるのではないか思います。例えば業務用や放送用のビデオ伝送で使用されるSDIの同軸75Ω系アプリケーションでは、現在12Gbpsで100mの伝送距離を実現しています。ここで使用されている外寸7.7mmの同軸ケーブルL-5.5CUHD（75Ω）のインサーションロス（表2赤い線）は、100mで40dB＠6GHzと大変小さく（10mでは4dB＠6GHz）、CTLEのイコライザーで補償できるレベルのインサーションロスであることがこの100mの長距離高速伝送を実現している理由の1つです。

＊1）CTLE（Continuous time linear equalizer）：高周波領域をブーストするアナログのイコライザー

不要輻射ノイズ低減とケーブルのシールド方法

　不要輻射ノイズの低減が必要な場合は、シールドのない図8-1、図8-2のUTP（Unshielded Twisted Pair）構造のケーブルではなく、各差動ペアにシールドとケーブル全体にシールドが施された2重シールド図8-3のツイナックス（Twin−Coax）ケーブルの採用を検討します。

図8：各種差動信号ケーブル

　ツイナックスケーブル（図8-3）のケーブルを覆う全体のシールドは、内部からのノイズ放射を遮蔽（しゃへい）するために使用されます。そのため、この全体シールドは安定したノイズの少ないFG（フレームグランド）などのGNDに接続します。

　各差動ペアシールドのドレイン線は差動信号ペアのコモンモードGNDとなるため、図9のようにI/OデバイスのSG（シグナルグランド）に接続します。

図9：差動ツイナックスケーブル。シールドドレイン線のGND処理例（LVDS DC接続）
（注：シールド・GNDに対して適法される安全基準、法的要件に従う必要があります）

　ケーブル全体のシールド線をノイズの多いSGに接続すると、基板上のノイズが筺体シールドを抜けてケーブルから外部へ放射するアンテナとなるため、ケーブルのシールド線に接続するGNDのノイズには注意が必要です。

　ツイナックスケーブルは、ノイズ放射の特性以外にも、外部から印加されるノイズ耐性や高周波のリターンロス、クロストーク（FEXT・NEXT）についてもUTPやSTP（全体シールド付きのUTP構造）と比較すると大幅に優れています。

　Ethernetで使用されるCat-5/6/7 UTPケーブルは、ペア間スキューが大きくLVDS SerDesでは使用できませんが、安価でロスも少ないため、ペア間スキューの定義がなく、クロストークが問題とならないアプリケーションでの使用が可能です。