Сравнительный анализ высокоскоростного соединителя Multigig RT2 (США) и отечественного аналога производства АО «Радиант-ЭК» с фокусом на оценку скорости передачи данных

В современных высокоскоростных системах передачи данных требования к качеству соединений и их электрическим характеристикам становятся все более строгими. Это особенно актуально для интерфейсов, используемых в вычислительной технике, телекоммуникационном оборудовании и системах реального времени, где скорость передачи данных достигает десятков гигабит в секунду. Международный стандарт VPX (VITA 46) задает базовые требования к архитектуре модульных систем, обеспечивая высокую пропускную способность, надежность и гибкость масштабирования.

В условиях импортозамещения растет потребность в разработке отечественных решений, соответствующих международным стандартам. Компания «Радиант-ЭК» взяла на себя задачу создания линейки модульных высокоскоростных соединителей, совместимых с VPX, с использованием технологии Press Fit для монтажа на печатные платы. Данный подход исключает пайку, что повышает надежность соединений и продлевает срок службы оборудования. [1]

Цель настоящей статьи — провести детальный анализ характеристик отечественного соединителя, разработанного компанией «Радиант-ЭК», с фокусом на измерение вносимых потерь и оценку скорости передачи данных. Для сравнения будут использованы данные по зарубежному аналогу Multigig RT2 фирмы TE Connectivity (рис.1), который является одним из наиболее распространенных решений в данной области. Результаты исследования позволят оценить конкурентоспособность отечественных разработок и определить перспективы их применения в современных высокотехнологичных системах. [2]

Рис. 1. Внешний вид соединителя

Для сравнительного анализа были отобраны следующие ответные модули высокоскоростных соединителей:

1. TE Connectivity:

• Вилка: TE 1410187-3
• Розетка: TE 1410140-1

2. АО "Радиант-ЭК" :

• Модуль вилки МВД1
• Модуль розетки МР1

Обе конструкции вилок основаны на наборе дифференциальных подложек, где дифференциальные пары имеют дифференциальный импеданс Z₀=100 Ом, что обеспечивает стабильную работу при передаче сигналов высокой частоты. Данные соединители спроектированы для работы со скоростью передачи данных 10 Гбит/с.

В рамках исследования скорости передачи данных и величины вносимых потерь была разработана экспериментальная оснастка, обеспечивающая возможность подключения балансного векторного анализатора цепей (VNA). Оснастка (рис.2) представляет собой печатную плату с отверстиями для запрессовки исследуемых соединителей и установленными SMA-соединителями, предназначенными для физического подключения тестируемых устройств.

Рис. 2. – Внешний вид экспериментальной оснастки сверху – для вилки, снизу – для розетки

Оснастка предназначена для точной оценки вносимых потерь и других параметров высокоскоростных соединителей. Ее основные компоненты:

1. Печатные платы для запрессовки соединителей:

• Изготовлены с использованием материалов с низкими потерями в диэлектрике, что минимизирует влияние самой платы на результаты измерений.
• На платах реализованы дифференциальные трассы с точно выверенным импедансом Z₀=100 Ом, чтобы обеспечить совместимость с исследуемыми соединителями.

2. SMA-соединители c pogo-pin обеспечивают устойчивый электрический контакт и минимальные дополнительные потери в цепи.

3. Место для запрессовки соединителей спроектировано таким образом, чтобы исключить механические напряжения и деформации при установке исследуемых соединителей.

На рисунках 3 и 4 представлено подключение экспериментальной оснастки к векторному анализатору цепей.

Рис. 3. Анализатор цепей с подключенной оснасткой

Рис. 4. Подключённая оснастка

Основными характеристиками, измеряемыми с использованием данной оснастки, являются:

1. Вносимые потери:

• Измеряются в децибелах (дБ) и характеризуют снижение мощности сигнала после прохождения через соединитель.
• Критическим значением считается порог -3 дБ, превышение которого снижает качество сигнала в 2 раза.

2. Частотная характеристика:

• Анализируется полоса пропускания B канала, чтобы определить соответствие требованиям скорости передачи данных.

3. Импеданс:

• Проверяется соответствие импеданса дифференциальных пар стандарту Z₀=100 Ом, что является ключевым фактором для минимизации отражений сигнала.

4. Скорость передачи данных:

• Показатель, характеризующий объем информации, который может быть передан через канал связи за единицу времени. Измеряется в битах в секунду (бит/с, bit/s) или его производных единицах: килобит/с (кбит/с), мегабит/с (Мбит/с), гигабит/с (Гбит/с) и т.д.

Представленное исследование фокусируется на соединителе, который является функциональной частью тракта передачи данных и предназначен для обеспечения электрической совместимости с множеством стандартов интерфейсов. Поскольку различные интерфейсные стандарты предъявляют разнообразные требования к электрическим характеристикам сигналов, включая коэффициенты ослабления мощности, потери в цепях и другие параметры, для компонентов трактов передачи данных, таких как соединители, международная общеотраслевая практика определяет универсальное значение максимально допустимого ослабления мощности на уровне -3 дБ. Данное значение соответствует уменьшению мощности входного сигнала ровно в 2 раза.

На таком уровне ослабления большинство приемников сигналов различных стандартов (интерфейсов) способны гарантировать стабильную работоспособность, включая корректное детектирование и декодирование поступающих сигналов. Например, согласно спецификации стандарта EIA/TIA-644-A для технологии LVDS (Low Voltage Differential Signals)[6], пороговые значения входного напряжения составляют +100 мВ для логической единицы и -100 мВ для логического нуля. Эти значения превышают пороговые уровни приемника ±50 мВ вдвое по абсолютной величине. Соответственно, отношение допустимой мощности сигнала к минимально необходимой пороговой мощности вычисляется как 10⋅log₁₀ (100/50)=−3дБ, что подтверждает принятый уровень допустимого ослабления мощности как оптимальный для обеспечения надежной работы систем связи. Можно предположить, что если численные значения потерь на частоте 5 ГГц в децибелах составляют менее -3дБ, тогда по теореме Найквиста исследуемые модульные соединители могут использоваться в линиях связи со скоростью 10 Гбит/с.

Теорема Найквиста для скорости передачи данных [3]:

Максимальная скорость передачи дискретных символов без шума в канале связи с полосой пропускания B Гц определяется как:

C=2Blog₂(M) (бит/с),

где:

• C — максимальная скорость передачи данных (бит/с),
• B — полоса пропускания канала (Гц),
• M — количество уровней сигнала (размер алфавита).

Если используется бинарный сигнал (M=2), формула упрощается до C=2B (бит/с). 

Для достижения скорости передачи данных 10 Гбит/с, примем следующие параметры:

• Полоса пропускания канала (B) = 5 ГГц = 5×10⁹ Гц,
• Необходимо подобрать количество уровней сигнала (M) так, чтобы скорость передачи достигала 10 Гбит/с.

Для достижения скорости передачи данных 10 Гбит/с при полосе пропускания канала B=5ГГц, необходимо использовать сигнал с двоичной модуляцией (M=2), например, NRZ (Non-Return-to-Zero) или другие двоичные кодировки. В современных высокоскоростных системах часто используются многоразрядные модуляции, такие как PAM-4 (M=4), которые позволяют увеличить скорость передачи данных при той же полосе пропускания. Для примера, если взять M=4:

C=2⋅B⋅log₂(4)

C=2⋅(5×10⁹)⋅2=20 Гбит/с

Таким образом, использование PAM-4 позволяет достичь скорости 20 Гбит/с при той же полосе пропускания B=5ГГц. Это делает PAM-4 популярным выбором для высокоскоростных интерфейсов, таких как PCIe Gen 5 и Ethernet 400G.

В ходе проведенного исследования были выполнены измерения ключевых электрических характеристик высокоскоростных соединителей: вносимых потерь (insertion loss, IL) и дифференциального импеданса. Измерения проводились с использованием современного векторного анализатора цепей в диапазоне частот от 10 МГц до 9 ГГц. Показания векторного анализатора представлены на рис.5-8.

Результаты измерений

1. Вносимые потери:

• Соединитель TE Connectivity продемонстрировал уровень вносимых потерь в пределах 0,2–0,8 дБ при частотах до 9 ГГц.
• Соединитель АО "Радиант-ЭК" показал схожий уровень вносимых потерь: 0,2–0,9 дБ в диапазоне до 9 ГГц.

2. Дифференциальный импеданс:

• У соединителя TE Connectivity дифференциальный импеданс составил 85–115 Ом, что соответствует заявленным спецификациям производителя.
• Соединитель АО "Радиант-ЭК" продемонстрировал значение дифференциального импеданса в диапазоне 80–120 Ом , что также находится в допустимых пределах для VPX-стандарта (номинальное значение — 100 Ом с допуском ±20%).

3. Скорость передачи данных

• В диапазоне частот от 0 до 5 ГГц значения вносимых потерь соединителей как зарубежного, так и отечественного производства продемонстрировали высокую степень соответствия. Значения вносимых потерь указывает на то, что исследуемые соединители обладают достаточной полосой пропускания для обеспечения скорости передачи данных не менее 10 Гбит/с, что подтверждается расчетами на основе теоремы Найквиста.
• Соединитель АО «Радиант-ЭК» по данному показателю не уступает заявленным характеристикам соединителя TE Connectivity.

Рис. 5. Измерение импеданса соединителя TE

Рис. 6. Измерение импеданса соединителя АО «Радиант-ЭК»

Рис. 7. Измерение вносимых потерь соединителя ТЕ

Рис. 8. Измерение вносимых потерь соединителя АО «Радиант-ЭК»

Сравнительный анализ

Полученные результаты свидетельствуют о высокой степени соответствия характеристик соединителей АО "Радиант-ЭК" международным стандартам и зарубежным аналогам. В частности:

1. Сходство вносимых потерь и скорости передачи данных: Наблюдаемая близость значений вносимых потерь и скорости передачи данных указывает на то, что конструктивные решения, применяемые в отечественных соединителях, обеспечивают эффективное подавление паразитных эффектов, таких как дисперсия, затухание сигнала и нелинейные искажения. Это достигается за счет оптимизации геометрии токопроводящих проводников в составе плат [4]  и использования материалов с низкими потерями.

2. Стабильность дифференциального импеданса: Хорошее соответствие значений дифференциального импеданса у обеих групп соединителей подтверждает правильность выбора конструктивных параметров и технологических процессов при производстве отечественных изделий. Стабильность импеданса обеспечивает минимизацию отражений сигнала и повышает качество передачи данных.

3. Технологическая зрелость: Результаты исследования демонстрируют высокий уровень технологической зрелости продукции АО "Радиант-ЭК". Применение технологии Press-Fit монтажа без пайки позволяет сохранять стабильные электрические характеристики даже при длительной эксплуатации, что особенно важно для систем, работающих в сложных условиях.

Дополнительные исследования взаимозаменяемости соединителей различных производителей подтвердили их совместимость в реальных условиях применения. В рамках эксперимента были проведены измерения на комбинированных парах соединителей: вилка АО "Радиант-ЭК" с розеткой TE Connectivity и, наоборот, вилка TE Connectivity с розеткой АО "Радиант-ЭК". Поскольку данные соединители разработаны в соответствии с международным стандартом VPX, они являются взаимозаменяемыми. Полученные результаты показали, что ключевые электрические характеристики — вносимые потери, дифференциальный импеданс и скорость передачи данных — остаются в пределах допустимых значений даже при использовании смешанных ответных модулей соединителей. Это демонстрирует высокий уровень продукции АО "Радиант-ЭК" и ее полную совместимость с зарубежными аналогами, что является важным преимуществом для внедрения отечественных решений в существующие системы передачи данных.

Аналогом отечественного соединителя, разработанного АО «Радиант-ЭК», является соединитель серии RVPX компании Amphenol [6]. На основе данных из открытых источников можно провести сравнительный анализ ключевых электрических характеристик указанных соединителей, включая вносимые потери и дифференциальный импеданс. Вносимые потери и импеданс для соединителей серии RVPX представлены на рисунках 9 и 10. Анализ графика демонстрирует худшие показатели по сравнению с результатами, полученными для соединителя Multigig RT2 производства TE Connectivity и отечественного соединителя производства АО «Радиант-ЭК». Однако следует отметить, что данные из открытых источников были получены с использованием измерительной оснастки, отличной от той, которая применялась в текущем исследовании, что может оказывать влияние на абсолютные значения измерений.

Рис. 9. Вносимые потери RVPX фирмы Amphenol

Рис. 10. Импеданс RVPX фирмы Amphenol

Заключение

Сравнительный анализ результатов измерения электрических параметров показал, что отечественный соединитель производства АО "Радиант-ЭК", полностью соответствует характеристикам зарубежного аналога Multigig RT2 производства TE Connectivity. Близость значений вносимых потерь и дифференциального импеданса подтверждает высокое качество отечественной разработки и ее готовность к применению в современных высокоскоростных системах передачи данных. Это открывает широкие возможности для их использования в рамках программ импортозамещения без снижения технических характеристик оборудования.

Библиографический список

1. Баканин Д.В., Отечественный модульный высокоскоростной соединитель стандарта VPX (VITA 46) от АО «РАДИАНТ-ЭК/ Баканин Д.В., Шаломанов В.И -//Электронные компоненты. -2023-№2 -С.56-60

2. TE Connectivity. Multigig RT2 High-Speed Connector Series: Technical Specifications. – 2022. – URL: https://www.te.com (дата обращения: 10.12.2024).

3. Найквист Г. Теоретические основы передачи сигналов в каналах связи // Теория связи. – 1928. – Т. 12. – С. 123-145.

4. Шаломанов В.И.., Высокоскоростные дифференциальные пары на печатной плате для модульного соединителя/, Шаломанов В.И Баканин Д.В.//Электроника НТБ. -2024-№3 -С.142-146

6. Amphenol. RVPX Series Connectors: Datasheet. – 2021. – URL: https://www.amphenol.com (дата обращения: 10.12.2024).