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Grundlagen der Signalintegrität bei Datensignalen

Die Einfügedämpfung (insertion loss)

Vorhergehend wurde der Zusammenhang über die Impedanz hergestellt, dass mit der optimalen Anpassung eine maximal Übertragung der Leistung (P) stattfindet. Pout ist somit nahezu Pin. Etwas anders erklärt ergibt sich über die Impedanz ein Strom, der über die anliegende Spannung erzeugt wird. Im Fall einer symmetrischen Verbindung (differential pair) würde dieser Strom durch den einen Leiter hinfließen und durch den anderen zurück. Fließt der Strom nicht an anderen Stellen ab hat man sichergestellt, dass die maximal Amplitude am Empfänger ankommt. Mit der Einfügedämpfung wird der Betrag angegeben, der sich aus dem Verlust der Leistung ergibt zwischen dem Anfang und dem Ende eines Übertragungskanals. Die Einfügedämpfung wird wie folgt in dB ausgedrückt:

IL = 10 log (Pout/Pin)

Zu beachten ist, dass die Einfügedämpfung ein negativer Wert ist jedoch im Gebrauch oft positiv ausgedrückt wird. Die Einfügedämpfung wird in der Regel über die Frequenz dargestellt.

Verlauf Einfügedämpfung

Folgende wichtige Komponenten beeinflussen die Einfügedämpfung: Reflektionsverluste werden über Fehlanpassungen der Impedanz verursacht. Bedeutet auch bildlich gesprochen, dass die Energie über die Masse oder andere Pfade verloren geht. Über Abstrahlung und Einkoppelung (EMI) auf andere Pfade kann ein Übersprechen stattfinden. So geht Energie verloren, die nicht beim Empfänger mehr ankommt. Dielektrische Verluste hängen mit den Materialien zusammen, die verwendet werden. PPT und LCP Werkstoffe, die sich z.B. in Kontaktträgern finden, haben ein εr im Bereich 2-3, was sich kapazitiv bei sehr hohen Frequenzen in Verlusten äußert. Leitungsverluste sind z.B. im hohen Frequenzbereich durch den Skineffekt gegeben, bei dem die Stromdichte zur Oberfläche des Leiters ansteigt. Die Einfügedämpfung folgt über der Frequenz dargestellt einer Wurzelfunktion und einem nicht-linearen Verlauf. Entsprechend dem verwendeten Daten-Protokoll hat man einen erlaubten Wert der Einfügedämpfung über den Übertragungskanal. Dieser Wert ist auf die einzelnen Komponenten aufzuteilen. FPGAs (Field Programmable Gate Array) und High-Power-Switches können inzwischen mit einer Einfügedämpfung von -30dB umgehen. Typische Einfügedämpfungen liegen bei ca. -5dB. Grundsätzlich sind die Leitungslängen kurz zu halten. Ist bei kurzen Leitungslängen die Einfügedämpfung zu hoch, dann ist die Anpassung zu überprüfen. Bei langen Leitungslängen addieren sich letztendlich Dämpfungsverluste.

Die Rückflussdämpfung (Return Loss)

Wie oben beschrieben ist es für eine optimale Übertragung notwendig, dass die Quellimpedanz gleich der Lastimpedanz ist. Diesen Zustand herzustellen ist schwierig, da ein Übertragungskanal eine Aneinanderreihung unterschiedlicher Impedanzen ist. So ist es unvermeidbar, dass Teile des Signals wieder zum Empfänger reflektiert werden. Das Verhältnis der zugeführten Leistung Pin und der reflektierten Leistung Prefl ist die Rückflussdämpfung (Return Loss, RL) mit

RL = 10 log (Pin/Prefl)

Eine reflektierte Leistung kommt nicht beim Empfänger an und zeigt sich in einem schwächeren Signal. Bei Leistungen werden am Anfang des Übertragungskanals gemessen.

Verlauf Rückflussdämpfung RL

Als Faustformel kann gesagt werden, dass die Rückflussdämpfung mindestens -10 dB über den relevanten Frequenzbereich betragen sollte. Die reflektierte Leistung wäre somit bei weniger als 10 %, was für eine gute Übertragung, auch mit auftretenden Toleranzen, ausreichend ist. Dennoch hängt die Performance von den Anforderungen des Systems ab, da Empfänger unterschiedlich empfindlich sind. Anforderungen mit besser als -10 dB erfordern eine große Achtsamkeit bei der Komponentenauswahl.

Wenn man bei kurzen Übertragungskanälen eine schlechte Rückflussdämpfung, jedoch eine geringe Einfügedämpfung hat, kann man durch künstliches Hinzufügen einer Einfügedämpfung die Rückflussdämpfung verbessern. Dies ist logisch, da ein nach vorwärts gedämpftes Signal auch in der Reflexion gedämpft wird. Im Allgemeinen kann eine Verlängerung vor oder auch nach einem Steckverbinder hilfreich sein.

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