応用組み込み電子工学

第3章. 堅牢性デジタル通信

この作品はAIを使って翻訳されている。ご意見、ご感想をお待ちしている：[e-mail]

デジタル通信はあらゆるシステムのバックボーンである。プリント回路基板（PCB）上の低周波、短時間のデータ転送は通常簡単である。しかし、データが基板を離れたり、距離を移動したり、電磁干渉（EMI）に遭遇したりすると、課題が生じる。また、高速で信頼性の高いデータを確保するには、信号メソッド、伝送行程、エラー処理、クロック／データ位相に特殊化する必要がある。数え切れないほどのシステムがベンチで動作し、環境的な課題のためにフィールドで失敗する。適切に設計されたシステムは、実世界のEMI、静電気放電（ESD）、変数電力、ノイズの多いグランドに耐える必要がある。

これはデータ通信理論の章ではない。その意図は、読者がどのインタフェースを使うか、あるいはどこに伝送路が必要かについて、十分な情報を得た上で判断できるように、広く使われているメソッドを理解することにある。また、設計者が知っておくべき古いメソッドも限定的に取り上げている。

ここでの解説は、CMOSロジックに関するものである。他のロジックファミリ（RTL、TTL、ECLなど）に対する特殊化については触れていない。最新のメソッドでは、論理関数をコントローラ・ソフトウェアまたは単一のフィールド・プログラマブル・ゲート・アレイ/複合プログラマブル・ロジック・デバイス（FPGA/CPLD）に置く。(複数の高速データパスは、今やPCB全体ではなく、チップ内部にある。その結果、ほとんどのPCBデジタル通信は、低データレートのセットアップとチップの設定データ制御、またはデバイス間の高速データパイプラインの2つのカテゴリのいずれかに分類されるようになった。この章の図では、説明のためにシングルゲートを使用している場合があるが、この議論は、必ずCMOSである大型FPGA/CPLDデバイスのI/Oポートにも適用できる。ボー ド 外やシ ス テ ム外の信号 も 特殊化 さ れてい る ため、 適切な対処が必要であ る。

この章では、デジタル・コミュニケーションのトピックを幅広く取り上げている：

• グラウンド参照信号と差動信号

• ポイント・ツー・ポイントとマルチポイント・ネットワーク

• 一括ネットワークと分散ネットワーク

• 終端付き伝送路（TLT）を使用する場合

• クロック分配メソッドとタイミング・スキュー

• パラレルとシリアルのデータ・インタフェース

• 一般的なシリアルポートとネットワークメソッド

• ワイヤレス・データ・メソッド

設計者はここで紹介した情報を使って、システムの通信メソッドを適切に選択することができる。

デジタル信号、物理的考察、接続

適切なデータ・インタフェースを検討する前に、接続方法、使用する信号の種類、終端伝送路を使用するタイミング、クロック分配方法など、いくつかの背景情報が必要である。

地上基準デジタル信号の限界

デジタル データはシグナル・インテグリティの問題にさらされる（図3-1）。ノイズ、振幅損失、伝送線路の反射、インピーダンスの不整合、その他の問題がこの問題を引き起こす。これらの問題は、接続が長くなったり、データレートが上がったりすると、大きくなる傾向がある。

デジタル信号は、データ接続の送信側と受信側の両方で、電源とグラウンド（P&G）のノイズによって破損する可能性がある。また、接続の帯域幅(BW)の制限により、信号の高周波部分は振幅が減衰し、位相が歪む。近接する隣接信号は、容量性および電磁メソッドによってクロストーク・ノイズの原因となる。さらに、デジタル信号の立ち上がり/立ち下がりのエッジは、接続のインピーダンス不整合を非常に目立たせる。信号の過渡現象が速く、伝送路が適切に終端されていない接続は、信号の反射を作成し、さらに信号を破損する。 ...