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TCA Steckverbinder

Autor: Markus Witte, Michael Seele

Neue Steckverbinderfamilien für standardisierte Telekom-Architekturen

Die Telekommunikationsbranche bietet ständig neue Dienste wie Highspeed-DSL, WiMAX, UMTS, digitales Mobilfernsehen DVB-H für den Endverbraucher an. Die damit verbundenen wachsenden Datenvolumina fordern die Betreiber, in immer kürzeren Zeitabständen neue, leistungsfähige, zuverlässige, aber auch kostengüns­tige Telekommunikationshardware einzusetzen.

Mit den heute meist firmenspezifischen Systemen wird die Realisierung neuer kostengünstiger Systeme in der Zukunft immer schwieriger zu erreichen sein. Durch die Globalisierung und durch starken Wettbewerbs- und Kos­tendruck sind die Hersteller solcher Hardware gezwungen, statt einer eigenen Entwicklung immer mehr externe Kapazitäten zu nutzen. Standardisierte Systeme, die eine proprietäre (firmeneigene) Integration ermöglichen, können mit einer schnellen Entwicklungszeit die Markt­einführung verkürzen und somit schneller Gewinne für die Unternehmen einbringen.

PICMG-Standardisierungen

Die PCI Industrial Computer Manufacturing Group (PICMG) ist ein Konsortium von Kunden und Herstellern, die das Ziel verfolgt, Systeme zu spezifizieren, die den technischen Wünschen und Anforderungen des Marktes entsprechen. In diesen Spezifikationen werden neben der Architektur auch die Schnittstellen zwischen den Modulen definiert, d. h., dass auch Steckverbinder, insbesondere Leiterkartenanschluss und Formfaktor, spezifiziert sind.

Zu der Gruppe der PICMG-Spezifikationen gehören die Gruppen

• Serie 1.x Passive Backplanes
• Serie 2.x CompactPCI
• Serie 3.x AdvancedTCA® (Advanced Telecom Computing Architecture)

Mit der Verabschiedung des AdvancedTCA(TM)-Standards sollte diesen Anforderungen Rechnung getragen werden. Der Standard spezifiziert eine einheitliche Bauform der Racks, Backplanes und Tochterkarten (Blades) und legt Protokolle und Systemmanagementfunktionen fest. Durch die einheitliche Architektur soll die Interoperabilität der Bausteine verschiedener Hersteller gewährleistet werden. Dadurch entsteht ein flexibles und kostengünstiges Hardwaresystem.

Um Modularität und Funktionalität noch weiter zu erhöhen, wurde die Modulspezifikation AdvancedMC(TM) (Advanced Mezzanine Card) ratifiziert. Diese beschreibt die Verwendung von Modulen, die über einen speziellen direkten Steckverbinder parallel mit dem Carrier-Modul verbunden werden. Direkte Steckverbinder kontaktieren im Gegensatz zu zweiteiligen direkt mit der Leiterkarte. Dieses Steckprinzip findet man u. a. in jedem PC. ­AdvancedMC(TM) bieten den Vorteil, dass Karten während des Betriebs (hot plug) ausgetauscht werden können. Durch die direkte Kontaktierung des Steckverbinders mit der Leiterkarte vermeidet man zusätzliche Störeinflüsse eines zweiteiligen Verbinders auf das Signalübertragungsverhalten.
Abbildung 2 zeigt ein AdvancedTCA® Carrier-Modul. Die AdvancedMC(TM)-Module gibt es in vier Baugrößen:

• Einfache Breite, halbe Höhe; Abmessungen in mm: 73,8 x 13,88 x 181,5
• Einfache Breite, volle Höhe; Abmessungen in mm: 73,8 x 28,95 x 181,5
• Doppelte Breite, halbe Höhe; Abmessungen in mm: 148,8 x 13,88 x 181,5
• Doppelte Breite, volle Höhe; Abmessungen in mm: 148,8 x 28,95 x 181,5

Je nach Modulgrößen, können bis zu 8 AdvancedMC(TM)-­Module (einfache Breite, halbe Höhe) in ein Carrier-­Modul gesteckt werden.

Die jüngste Systemalternative, die auf dem AdvancedMC(TM)-Prinzip aufbaut, soll die Kosten für Systemhardware noch weiter reduzieren. Anstatt Module als Mezzanine-Karten auf die ATCA-Tochterkarten aufzusetzen, beschreibt MicroTCA(TM) ein Konzept, bei dem das Modul direkt in eine Backplane gesteckt wird. Dadurch wird das System deutlich kompakter und preiswerter.

Abb. 5: Netzwerkarchitektur [Quelle: Lucent]

Während ATCA für Anwendungen mit sehr hohen Kapazitäten und Leistungsmerkmalen optimiert ist, adressiert MicroTCA(TM) kostenempfindlichere und physikalisch kleinere Anwendungen mit geringerer Kapazität, Leis­tungsmerkmalen und vielleicht weniger strengen Nutzungsanforderungen.

Durch diese Vorteile hinsichtlich der Kosten und der Baugröße des Systems erweitert MicroTCA(TM) das Anwendungsspektrum auch auf Märkte der Medizintechnik, der Industrie bis zum Consumer-Markt.

Ein MicroTCA(TM)-System kann in verschiedene Bauformen implementiert werden. Im Gegensatz zum ­AdvancedTCA®- muss im MicroTCA(TM)-System die Steuerung und Adressierung der Module von einem MicroTCA(TM) Carrier Hub (MCH) übernommen werden. Beim AdvancedTCA® ist diese Elektronik bereits auf dem Carrier-Modul implementiert.

Anwendung von ATCA® und MicroTCA(TM)

AdvancedTCA® unterstützt drahtgebundene, drahtlose und Breitband-Netzwerkkomponenten. Der Standard ist auf die Telekommunikation fokussiert und Produkte sind in den Elementen der Transport-, Kern-, und Zugriffs­ebene zu finden.

AdvancedTCA® wird hauptsächlich für Switch Fabric ­Applikationen eingesetzt. Im AdvancedMC(TM)-Standard gibt es Unterspezifikationen, in welchen folgende ­Anwendungen beschrieben sind:

AMC.1: PCI Express
AMC.2: 10 Gigabit Ethernet (10 GE), XAUI
AMC.3: Storage
AMC.4: Rapid I/O

Für zukünftige Anwendungen werden serielle Daten­übertragungsraten von bis zu 12,5 Gbit/s angestrebt. Dies stellt hohe Anforderungen an die Signalintegrität der Steckverbinder. Diese können dabei allerdings nicht mehr als einzelne Komponente charakterisiert werden, sondern müssen im Zusammenhang mit dem vollständigen Übertragungskanal zwischen Sender und Empfänger betrachtet werden.

Abb. 6: Übertragungspfad zwischen Sender- und Empfänger-Modul

Produktgruppen für AdvancedMC(TM)

Es gibt verschiedene AdvancedMC(TM)-Steckverbindertypen für ein AdvancedTCA® Carrier-Modul, welche je nach Typ eine unterschiedliche Anzahl von Modulsteckplätzen zulässt:

• Typ B (einseitige Modulkontaktierung mit 85 Kontaktpunkten)
• Typ B+ (zweiseitige Modulkontaktierung mit 170 Kontaktpunkten)
• Typ AB (einseitige Modulkontaktierung mit jeweils 85 Kontaktpunkten für zwei Steckplätze)
• Typ A+B+ (einseitige Modulkontaktierung mit jeweils 170 Kon­taktpunkten für zwei Steck­plätze)

Ein Carrier-Modul unterstützt bis zu acht AMC-Module mit vier A+B+-Steckverbindern. Mit dem AMC B+-Steckverbinder sind vier Modulsteckplätze möglich. Aus heutiger Sicht ist der Typ AMC B+ am gängigsten, da dieser mit bis zu vier AdvancedMC(TM)-Modulen pro Carrier Board keine besondere ­Herausforderung an die Kühlung der Module stellt. Ferner sind die Module sehr dicht gepackt, so dass es von der Bauhöhe noch schwierig ist, zwei Module übereinander zu stapeln.

HARTING entwickelte den einen AdvancedMC(TM)-Steckverbinder in herkömmlicher Einpresstechnik. Im Vergleich zur Andrucktechnologie reduzierten sich die Herstellkos­ten, da man keine flexible Leiterkarte zur Signalübertragung innerhalb des Steckverbinders benötigt. Auch die im Standard geforderten hohen Datenübertragungsraten können erreicht werden. Mittlerweile wurde der ­AdvancedMC(TM)-Standard der PICMG um weitere Anschlusstechnologien, unter anderem auch um die Einpresstechnik, ergänzt. Aufgrund des Marktbedarfs wurde der Typ AdvancedMC(TM) B+ zuerst gefertigt.

Weiterhin wurde auch für MicroTCA(TM) ein Signalsteckverbinder in Einpresstechnik entwickelt, der aufgrund seiner exzellenten Übertragungseigenschaften und des Anschlussbildes (Footprint) mit breiten Leiterbahnentflechtungskanälen in den MicroTCA(TM)-Standard aufgenommen wurde. Das Footprint des Steckverbinders überzeugt, weil es dem Backplaneentwickler mehr Freiheitsgrade bei der Entflechtung gestattet und vollständig mit konventionellen Durchkontaktierungen auskommt.

Im MicroTCA(TM)-System müssen für den MicroTCA(TM) Carrier-Hub bis zu vier AdvancedMC(TM)-Steckverbinder Wand an Wand gesetzt werden, um die notwendige Kontakt­anzahl zum Steuern und Verwalten der AdvancedMC(TM)-Module zu realisieren. Die Spannungsversorgung der Module wird über einen speziellen Power-Steckverbinder zugeführt.

Abbildung 9 zeigt einen Teil des MicroTCA(TM)-Systems, welches HARTING auf einem PICMG-Interoperabilitäts-Workshop im November 2005 in Chicago zur Verfügung gestellt hat. HARTING ist das erste Unternehmen, das den MicroTCA(TM)-Steckverbinder entwickelt hat und ein funktionales MicroTCA(TM)-System mit einem Kunden auf der Supercomm im Juni 2005 demonstrieren konnte.

Der MicroTCA(TM)-Standard ist im Mai 2006 soweit abgeschlossen, dass die Systeme nach diesem gebaut werden können.

Zusammenfassung

HARTING ist frühzeitig in Standardisierungen mit eingebunden. Durch pro-aktives Mitwirken mit entsprechenden Vorschlägen in den Gremien, gelang es in kurzer Zeit neue Produkte zu entwickeln und zu fertigen. Ferner gelang es, über das Produkt hinaus mit Partnern funktionierende MicroTCA(TM)-Systeme zu entwickeln.
Mittlerweile sind beide Steckverbinder aus der Serienproduktion verfügbar, viele Kundenanfragen zu konkreten Projekten liegen vor.

HARTING ist der erste Hersteller, der AdvancedMC(TM)-Steckverbinder in Einpresstechnik liefern kann.

Darüber hinaus stellt die Technologiegruppe einen umfassenden Design-In-Support zur Verfügung, der insbesondere Berechnungen, Simulationen und Messungen im Bereich der Signalintegrität umfasst. Weiterhin werden die Kunden bei Einpresswerkzeugen mit einem umfangreichen Angebot unterstützt. Die Markteinführung der Power-Steckverbinder für AdvancedTCA® und MicroTCA(TM) ist vorbereitet. Im Sommer sind die ersten Muster verfügbar, die Serienproduktion beginnt im Sommer 2006.

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