주파수 왜곡과 코딩

테크니컬 노트 「주파수와 데이터 레이트」를 전편에, 이번은 속편으로서 한층 더 파헤친 「주파수 왜곡과 코딩」에 대해서, 이야기를 하겠습니다. 「주파수와 데이터 레이트」를 읽지 않은 분은, 우선 그쪽으로부터 참조하실 수 있으면 다행입니다. 전회보다 다소 어려워질지도 모릅니다만, 어디까지나 커넥터 메이커의 시선, 이른바 아마추어 시선으로부터 이해할 수 있고, 또한 필요한 범위를 잘라낸 내용을 간단히 정리하고 있습니다. 비전문 쪽을 향해 정리하고 있어, 전문에 취급하는 쪽에는 씹을 수 없는 내용일지도 모릅니다. 그래도, 하나의 커트로서 즐길 수 있는 것이 조금이라도 계시면, 기쁘게 생각합니다.

8b10b 정보

8b10b라는 코딩

8b10b보다 고효율로

최근에는 「이 20%의 손실분이 아깝지요」라고 하는 것으로, 64b66b, 64b67b나 128b130b라고 하는 코딩이 개발되고 있습니다. 예를 들어, 64b66b는 66bit 데이터 길이로 64bit 데이터를 보내는 코딩(약 97% 효율)입니다. 어느 쪽이든 8b10b에 비하면 "여분의 차지하는 비율"이 훨씬 낮아집니다.

그래도 8b10b가 아직도 편리한 이유 「저주파의 제한」

그럼에도 불구하고 8b10b는 여전히 유용합니다. 그 한 가지 이유는 이 코딩의 부차적인 효과로서 "0이나 1이 그다지 계속되지 않는다(최대 4개)"라는 점입니다. 「주파수와 데이터 레이트」의 회의 「데이터 레이트와 주파수 ③0이나 1이 잠시 계속되는 경우와 저주파 성분」으로 간단히 설명했습니다만, 0이나 1이 계속된다=바쁘지 않을 정도로 「보다 낮은 주파수 성분을 포함한다」가 됩니다. 즉 8b10b에 있어서는, 심플한 랜덤 신호에 비해 바싹과 저역을 컷 할 수 있어, 「전송로를 통한 신호 전송」에는 매우 상냥한 것입니다.
다만, 「주파수가 높으면 어려운 것은 알지만, 왜 낮은 주파수가 없는 편이 좋은 것인가?」라고 생각되는 분이 계신다고 생각하므로, 다음에 그 근처=「전송 특성의 주파수 변형」에 이야기를 옮겨 가고 싶습니다.

전송 특성의 주파수 왜곡과 구형파 / 구형파

전송로에서 받는 주파수 왜곡

전기신호는 전송로를 통해 상대방으로 보내질 때

① 크기가 작아진다
② 도착하는데 시간이 걸린다.

라는 두 가지 현상이 발생합니다. 이것은 만물, 물건을 운반하는 데는 시간이 걸리고, 에너지를 소비하기 때문에 비교적 알기 쉽다고 생각합니다.
①을 삽입 손실(Insertion Loss), ②를 전파 지연(Propagation Delay) 등이라고 합니다. 이 두 가지 특성은 각각 주파수에 따라 경향이 달라집니다 (그림 2).

고주파에 갈수록 감쇠는 커집니다. 즉 신호가 점점 에너지를 잃어 작아져 버리는 것입니다. 이것은 도체의 표피 효과나 절연물의 유전 손실과 같은 것, 또 반사라고 불리는 현상의 영향에 기인합니다. 이 근처가, 「고주파쪽이, 전송이 어렵다」라고 말해지는 일인입니다. 한편, 지연 시간도 고주파에 갈수록 「조금만」 짧아져 가고, 실은 본래의 어떤 값에 점근해 갑니다. 이것은 주로 표피 효과에 의한 도체 내 인덕턴스의 저하라는 현상에 기인합니다. 이것은 신호가 전송로에서 수신되는 주파수 왜곡입니다.

신호 파형은 어떤 변화를 하는가?

그래서 구형파/구형파가 전송로를 전파한 후 어떤 영향을 받는지 살펴보자(그림 3).

「파형이 느슨해졌다」라고 하는, 공룡의 등의 돌기물과 같은, 「누워진 톱 파」와 같은 하늘색의 라인의 파형을 본 적이 있는 분은 많을까 생각합니다. 이 파형은 삽입 손실과 전파 지연 모두의 영향을 합산합니다. 「주파수와 데이터 레이트」의 회의 「데이터 레이트와 주파수② 구형파/구형파와 고조파」에서 설명한 대로, 구형파/구형파는, 기본 주파수와 고조파라고 하는 정현파의 중첩으로 되어 있습니다.

우선 삽입 손실의 영향으로, 보다 고주파인 고조파 쪽이 훨씬 작아지기 때문에, 베이스가 되는 기본 주파수의 정현파의 특징이 강하게 나와 보다 부드러운=정현파에 가까워진 것 같은 파형이 됩니다(핑크색).

한편, 전파 지연의 특성으로 고조파만큼 앞으로 앞으로 밟아 가므로 노란 파형처럼 전방 정도 엣지가 효과, 뒤는 어깨가되는 특성을 띠고 있습니다. 덧붙여서, 이 기본 주파수와 고조파의 지연의 어긋남을 군 지연=Group Delay라고 합니다.

이 두 가지 효과가 합쳐져 최종 출력 파형은 앞서 언급한 하늘색과 같은 '나물 톱 파'가 되는 것입니다.

요약

「크기는 작아지고, 늦는다」하지만, 만약 그 정도가 주파수에 대해서 일정하면, 전성분이 균일하게 작아져 늦어지기 때문에, 「사각형은 사각형인 채」작게 될 뿐입니다. 이런 느슨한 파형에 왜곡되는 것은 전송 특성이 주파수에 대해 차분을 가지고 있다 = 왜곡되어 있기 때문에 일어나는 현상입니다. 그리고, 이 쌓인 파형은, 정도에 따라서 「0과 1을 타이밍마다 판단한다」디지털 전송 신호로서는 상당히 귀찮은 것입니다. 게다가 0이나 1이 너무 많이 계속되지 않는 것이 왜 전송로를 통한 전송에 유리한가에 대해서는, 다음의 섹션에서 이야기하고 싶습니다.

「아이 패턴」과 「0 혹은 1이 계속된다고 하는 것」과 「판정 임계치(스레시 홀드)」

아이 패턴이란?

아시는 분도 많다고 생각합니다만, 「아이 패턴」이라고 불리는 전송 품질의 확인 방법이 있습니다. 이것은 0이나 1을 각 타이밍에서 판정하기 위한 여유를 시각화한 것입니다. 랜덤 또는 실제 송수신 데이터의 디지털 신호를 각 비트 구분으로 "겹쳐 쓰기"하여 나타냅니다 (그림 4).

아이 패턴과 판정을 위한 여유를 표현한 것이 그림 5입니다. 여기서 눈이 확실히 열려 있는 것이 건전한 데이터 전송의 지침이 됩니다. 이제 아이 패턴으로 보는 신호 품질에 대해 설명합니다.

아이 패턴으로 보는 신호 품질 = 세로 방향

우선은 세로 방향의 「열기」로부터. 0 또는 1의 판정은 전압으로 합니다. 수신측의 성능에 따라, 이 판정을 위한 「임계」가 되는 값=임계치/스레시 홀드 전압이라고 하는 것이 있습니다. 미묘한 곳은 판정이 모호해져 버리므로, 그 판정에는 「여유」가 필요합니다(그림 5 ①).

수신되는 신호는 그 여유를 넘어 위아래로 0이나 1을 확실하게 판정받아야 합니다(그림 5 ②).

아이 패턴으로 보는 신호 품질 = 가로

한편의 가로 방향입니다만, 타이밍에 관해서도 「지금 0이라든지 1이라든지 판단한 것이, 언제의(어느) 신호」인가, 올바르게 인식되지 않으면 신호로서 성립하지 않게 됩니다. 그러므로, 혼란을 피하기 위해서는 타이밍 방향으로도 모호해지는 부분에 「신호가 걸리지 않는다」 「비트의 변화가 들어가지 않는다」 여유가 필요합니다 (그림 5 ③).

그 때문에, 신호의 변화는 샤프하게 일어나고 있는 것이 좋고(그림 5 ④), 전항에서 본 것과 같은 「누른 톱니파」와 같은 파형은, 단지 사각이 작아지는 것보다 「전후 비트와의 혼란의 발생」을 일으키기 쉽다는 것을 어쩐지 느낄 수 있을까 생각합니다(그림 5).

0이나 1이 오래 지속되면 ···/8b10b는 전송로에 친화적이다

계속해서, 드디어 「0이나 1이 그다지 많이 계속되지 않는 것이 왜 전송로를 통한 전송에 유리한 것인가」에 이야기를 진행합니다.
그림 6은 랜덤 신호를 전항에서 설명한 것과 같은 전형적인 특성을 가지는 전송선로를 통과시켰을 때에 어떤 파형이 출력되는지, 그것을 아이패턴화하면 어떻게 되는지를 보여준다.

여기서 느끼고 싶은 것은,

① 어쨌든 파형이 상하로 흔들리고 있다
② 이 흔들림에 판정 마진이 세로도 옆도 먹혀 있다
③ 0이나 1이 계속될 때와 반복할 때 아무래도 거동이 다르다

라는 점입니다.

「주파수와 데이터 레이트」의 회의 「데이터 레이트와 주파수③ 0이나 1이 잠시 계속되는 경우와 저주파 성분」항에서 설명한 바와 같이, 바쁘게 움직이고 있을 때는 고주파, 같은 신호가 계속되어 느긋하게 하는 경우는 저주파성측으로 주요 성분이 이동합니다. 전항과 같이, 전형적인 전송선로에서는 고주파측으로 갈수록 신호 출력은 작아지기 때문에 이런 현상이 일어납니다.

그림 7에 이미지를 나타내었지만 바쁘게 전환되는 신호는 억제되어 상응하게 작아지는 한편, "저주파 = 움직임이 천천히 = 그렇다면 그다지 작아지지 않는다"이므로 0과 1이 계속되는 경우는 차례로 "본래의 출력값"에 가까워집니다. 이것이 실은 문제로, 다시 바쁘게 움직이려고 했을 때에는 그 움직임은 제약됩니다만, 그 때의 「스타트 지점」이 단순한 반복 신호와는 다릅니다. 이것이 상하에 흔들리는 요인이 되어, 결과 세로도 가로도 판정 마진을 「먹어」버립니다. 이 현상은 당연히 0이나 1이 오래 지속될수록 현저해지므로, 그것이 별로 지속되지 않는 8b10b의 코딩은 「전송로를 통한 전송」에 매우 친절하다고 할 수 있습니다.

그런데, 다음은 이 주파수 변형에 대응한 이퀄라이징과 프리엠퍼시스 및 디엠퍼시스에 대해서 조금만 이야기하고 싶습니다.

이퀄라이징 및 프리엠퍼시스 & 디엠퍼시스

이퀄라이저 정보

그림 8에 이퀄라이저의 이미지를 그렸습니다만, 간단히 말하면 「주파수 변형이 있다면, 그 반대의 특성에 가까운 것으로 보정해 주면 된다」라고 하는 것입니다.

기본적으로는 하이패스 필터로, 패시브=수동회로형(저위역을 깎는) 것도 액티브=능동회로형(고역을 들어올리는/저위역도 깎기도 한다)도 있습니다. 이것에 의해, 보통의 01의 구형파/구형파 신호만으로는 「아이 패턴의 눈이 부서져」성립하지 않는 신호 전송도 가능하게 되어 있습니다. 프리셋의 패턴을 사용하는 것도 있습니다만, DFE=디시젼 피드백(판정 귀환형) 이퀄라이저 등, 실정에 맞추어 신호 전송의 사이에 튜닝하는 것도 있어, 고속 전송과는 끊어도 분리할 수 없는 것이 되고 있습니다.

우리 커넥터 메이커로서 신경 써야 할 포인트는, 「주파수에 대해 솔직하게」신호를 열화시키는 분에게는 도울 수 있다는 것입니까. 예를 들어, 그림 9에 나타낸 두 종류의 커넥터의 삽입 손실에서는, 청색 라인 쪽은 12GHZ 부근에 대주파수로 보았을 때, 솔직하지 않은 큰 낙하가 있어, 다시 부활하고 있습니다. 그런 점에서는 주황색 라인의 커넥터가 이퀄라이저의 도움을 받는 전제로도 높은 주파수까지 사용할 수 있을 것 같습니다.

프리엠파시스와 디엠퍼시스

전송로의 주파수 변형에 대응하는 다른 방법으로는 프리엠파시스/디엠파이스/디엠퍼시스라고 하는 방법이 있습니다. 바쁘게 움직일 때 = 고주파라고 이미지 해 주셨습니다만, 고주파일수록 신호가 작아진다는 것은, 즉 「빠르게 움직이자」라고 할 정도로 그 움직임을 누를 수 있어 버린다 = 변할 때에 변할 수 없다고 하는 것과 대체로 동의가 됩니다. 거기서 움직임이 있을 때 = 바뀔 때만, 원래의 신호에 과도한 변화를 붙여 뚫어 놓아, 「거기가 억제되었을 때에 철쭉이 맞을 것입니다!」라고 한 것이 프리엠파시스가 됩니다(그림 10).

디엠퍼시스도 대체로 같은 것입니다만, 이쪽은 바쁘지 않은 곳=같은 전압이 계속되는 곳을 깎는 것으로 상대적으로 프리엠파시스와 같은 효과를 노린 것입니다. 원래보다 신호는 작아져도, 패시브의 이퀄라이저도 그렇지만 열화한 후의 아이는 오히려 열립니다.
전항의 그림 7 근처와 아울러 머리 속에서 이미지 받으면, 「아아, 효과가 있을 것 같다」라고 느껴 주실 수 있지 않을까 생각합니다.
제가 프리엠파시스라는 말을 시작하고 들은 것은 약 20년 전부터 지금과 멀지 않은 다른 업계에 있었을 무렵이었습니다. 그때는 아무래도 아마추어 분분에서 "이퀄라이징에 비하면 상당히 자쿠와 난폭한 방법이구나"라는 것이 첫인상이었습니다. 그러나, 소사는 아무래도 아마추어의 감상으로, 실제로는 매우 합리적이고 큰 효과가 있고, 현재는 널리 사용되고 있습니다. 다음은 조금 PAM-4라고 하는 것에 대해서 이야기를 해 보고 싶습니다.

PAM-4 정보

다시 그림 11을 보면, 통상은 1개소였던 스레시홀드가 3개소가 되어 있는 것을 봐 주실 수 있다고 생각합니다. 전항의 「「아이 패턴」과 「0 혹은 1이 계속된다고 하는 것 것」과 「판정 임계치(스레시 홀드)」에서 읽어 주신 대로, 쓰레시 홀드의 여유의 확보를 세로로 이룬 3탄으로 실현하지 않으면 안 된다고 하는 것으로, 이것은 조금 보통보다 힘들다고 하는 이미지는 즉, 우려해야 할 주파수 자체는 낮아지지만, 내려간 반면 그 때의 전송 정밀도는 보다 엄격해진다. 주파수 변형이나 전송로를 구성하는 제품마다의 편차에 관해서도 마찬가지이며 보통의 신호 전송보다 낮은 곳까지의 주파수라도 그만큼 거기에서의 각 편차나 불안정성은 계속 작아야 합니다. 커넥터에 있어서도, 요구되는 성능은 결과적으로 지금까지의 고속 전송 대응과 같습니다만 사정되는 「제비」가 조금 바뀌어 온다고 하는 느낌입니다.

마지막으로

이번에 잘라 주신 주제는 고속 전송 중에서도 몇 가지 이야기입니다. 예를 들어 커넥터 등을 같은 「XXGbps로 사용합니다!」라고 하는 상황에서도, 그 상세에 의해 실제로 요구되는 내용이나 레벨은 조금씩 달라질 것 같다고 느끼실 수 있으면 기쁩니다.
IRISO 전자공업에서는 현재 자사에서 정의를 명확하게 한 후 대표적인 추천 대응 데이터 레이트를 공표한 다음 고객이 사용하는 방법을 음미하면서 최적의 제품을 제안할 수 있는 대처를 실시하고 있습니다. 고속 전송을 지지하는 말단에 몸을 두는 커넥터 메이커로서는, 방심하고 있어 순식간에 남겨져 버리는 세계입니다. 날마다의 연루에 긴장감을 가지고 임하면서, 측방 지원에서도 최신의 기술을 지지할 수 있는 것에 기쁨을 느끼고 있습니다!

여기에 당사의 고속 전송 커넥터에 대한 다양한 대처를 게재하고 있습니다. 꼭 봐 주세요.

참고

당사가 공표하고 있는 대표적인 추천 대응 데이터 레이트를 소개합니다.