利用串行-解串器能夠大大減少近距離、寬帶數據通信中的連線，類似的應用有電信和網絡設備的背板互連、3G蜂窩電話基站中機架內部的互連、數字視頻接口等。電流模式、低電壓差分信號(LVDS)的好處在于易端接、低傳輸功耗、低電磁干擾(EMI)。

LVDS的主要標準，TIA/EIA-644-A，只是規定了信號電平等物理層參數，沒有給出諸如數據速率與電纜長度對應關系的互連特性。LVDS標準提供給用戶的僅僅是LVDS信號的基本兼容規范，而在高速應用中用戶還必須了解在規定的電纜和傳輸距離條件下所能達到的性能。

本文給出了實驗室測試結果，并分析了MAX9205/MAX9207 LVDS串行器和MAX9206/MAX9208解串器在不同數據速率、電纜長度下的誤碼率(BER)指標。本文還探討了與鏈路眼圖中的抖動相關的BER。

Maxim的MAX9205/MAX9207 LVDS串行器和MAX9206/MAX9208 LVDS解串器能夠通過差分特性阻抗為100Ω的串行點對點鏈路高速傳輸數據，MAX9205–MAX9206的串行“有效載荷”數據速率(含同步碼)為160Mbps至400Mbps；MAX9207–MAX9208速率為400Mbps至600Mbps。兩組芯片引腳兼容，但分別優化在不同的頻率范圍。本文提供了利用非屏蔽電纜(CAT-5E)在不同傳輸距離下的BER和眼圖。

BER測試是衡量傳輸鏈路可靠性最直接、最準確的途徑，數字通信鏈路要求非常低的誤碼率—一千億分之一(BER為10-12)或更低。

進行BER測試需要高品質的信號發生器和特定的測試設備，BER測試需要用數小時甚至幾天的時間傳輸大量的數據以達到10-12或更低BER的測試要求，這取決于數據的傳輸速率。考慮到BER測試比較耗時，通常用一些快速測量方式預測傳輸鏈路的可靠性，例如設置產生低BER的抖動電平，我們測試了MAX9205–MAX9206和MAX9207–MAX9208鏈路的抖動指標(圖3中標注為“marginal jitter”，并將其與BER相關聯。BER測試通常用于驗證數據表中抖動指標的最大值。圖1表示用LVDS串行器/解串器建立點對點鏈路的配置。

測試裝置

MAX9205或MAX9207 LVDS串行器發送LVDS信號，串行器在并行數據時鐘(TCLK)的上升沿鎖存10位并行數據，加入2位同步碼后通過單路LVDS輸出端口發送串行數據。MAX9205的并行數據時鐘范圍為16MHz至40MHz；MAX9207時鐘范圍為40MHz至60MHz。加入2位同步碼后串行數據比特率為12 × TCLK。“有效載荷”串行數據速率(串行比特率減去2位同步碼)為10 × TCLK。MAX9205–MAX9207和MAX9206–MAX9208功能框圖如圖1所示。


圖1. 串行器/解串器功能框圖

在電纜測試裝置(圖2)中，2號評估板的串行器和解串器將Agilent 86130A BER測試儀的串行I/O轉換成并行I/O。并行數據送入或從1號電纜測試評估板讀出。86130A輸出的串行數據序列碼長1200位，其中1000位取自210-1偽隨機二進制序列(PRBS)，每10位PRBS碼插入01同步碼仿真串行器的添加位。2號評估板的解串器移出同步碼、輸出PRBS并行數據至1號評估板的電纜測試串行器。串行數據序列被連續重復發送，Agilent 81250提供所需要的參考時鐘(TCLK用于串行器、REFCLK用于解串器)。采用General Cable Inc.生產的以太網電纜5E、AWG24非屏蔽雙絞線(型號為2133629H)。


圖2. 電纜測試裝置

我們分別測試了電纜長度為5英尺、15英尺、30英尺、60英尺和100英尺時的BER，并采用Tektronix TDS784C示波器和Tektronix P6247 1.0GHz差分探測器測試了解串器輸入端的眼圖抖動特性。可以調節81250提供的TCLK串行器參考時鐘的延遲時間使其符合數據資料中列出的串行器輸入建立時間和保持時間的要求。

測試結果

測試中分別采用了MAX9205–MAX9206和MAX9207–MAX9208串行-解串器對兒，86310A為MAX9205–MAX9206提供的串行比特率為192Mbps至480Mbps，為MAX9207–MAX9208提供的比特率為480Mbps至720Mbps。

為了量化眼圖信號的完整性，定義兩個參數：總計抖動(tTJ)和臨界抖動(tMJ)，tTJ是在差分電壓為0時測試的抖動時間寬度(0差分電壓是示波器軌跡的橫軸)，tMJ是零差分電壓處的抖動中點與300mV峰值差分電壓對應的抖動中點之間的時間間隔(圖3)。人們可能期望解串器-差分輸入在差分電壓為0V點發生轉換，但是，比較保守的方法是假設需要額外的差分電壓提供過驅動。tTJ對應的電平轉換發生在0V差分電壓，而tMJ則要求在轉換解串器輸入電平之前差分信號需達到300mVP-P。由此可見，用tMJ檢測信號的完整性更加可靠。tUI (圖3)定義為一比特串行碼的持續時間(單位間隔)，單位間隔是參考頻率周期除以12。

差分峰值電壓用VP-P表示，VP-P是測試點單端電壓的差值幅度的兩倍，或VP-P = 2 × l(VOUT+) - (VOUT-)l。例如，如果在測試點相對于地電位得到的高電平是：VOUT+ = 1.35V、VOUT- = 1.10V;相對于地電位得到的低電平是：VOUT+ = 1.10V、VOUT- = 1.35V，則VP-P = 500mV。由于測試采用了差分探頭(測試結果是VOUT+減去VOUT-)，眼圖顯示的是VP-P的結果。


圖3. 抖動參數定義

表1列出了MAX9206/MAX9208解串器數據資料中規定的最大tMJ，如果tMJ低于或等于表中列出的最大值，解串器能夠確保數據的恢復。

表1. 最大臨界抖動

Bit Rate (Mbps)	Data Rate (Mbps)	Maximum Marginal Jitter tMJ (ps)
192	160	1300
480	400	720
720	600	320

測試過程在兩種條件下進行，第一個測試條件是：串行測試模板按照串行-解串器對兒所允許的最高速率、在不同電纜長度下運行1小時，測試tTJ、tMJ和誤碼數；第二個測試條件是：在最大抖動條件下(大于數據表中tMJ的最大值)，發送10小時以上的串行測試數據(發送碼長高于1.73 × 1013位)，測試tTJ、tMJ和誤碼數。

表2、表3分別為MAX9205–MAX9206和MAX9207–MAX9208串行-解串器在5英尺至60英尺電纜長度下的測試結果。比特率為串行信號速率，數據速率為“有效載荷”串行數據速率(數據速率 = (10/12) × 比特率)。

表2. MAX9205–MAX9206的tTJ、tMJ、VP-P和誤碼率(測量時間1小時)

Cable Length (Feet)	Bit Rate (Mbps)	Data Rate (Mbps)	Total Jitter tTJ (ps)*	Marginal Jitter tMJ (ps)*	Differential Voltage VP-P (mV*)	Error Count (1.728 x 1012 bits)
5	480	400	200	220	880	No Error
15	480	400	200	260	780	No Error
30	480	400	220	320	636	No Error
60	480	400	360	560	420	No Error

*tTJ、tMJ測量分辨率為10ps，VP-P測量分辨率為2mV。

表3. MAX9207–MAX9208的tTJ、tMJ、VP-P和誤碼率(測量時間1小時)

Cable Length (Feet)	Bit Rate (Mbps)	Data Rate (Mbps)	Total Jitter tTJ (ps)*	Marginal Jitter tMJ (ps)*	Differential Voltage VP-P (mV*)	Error Count (2.592 x 1012 bits)
5	720	600	180	200	852	No Error
15	720	600	180	230	660	No Error
30	720	600	220	270	556	No Error
60	720	600	320	N/A (VP-P < 300mV)	292	No Error

*tTJ、tMJ測量分辨率為10ps，VP-P測量分辨率為2mV。

根據測試結果，圖4給出了經過30英尺、60英尺電纜傳輸后，在MAX9208解串器出測試得到的眼圖。

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圖4a. 經過30英尺電纜傳輸后MAX9207–MAX9208的眼圖 ，數據速率720Mbps、tTJ = 220ps、tMJ = 270ps、 傳輸2.592 × 1012位。
無誤碼，垂直刻度：200mV/Div，水平刻度：500ps/Div。


圖4b. 經過30英尺電纜傳輸后MAX9207–MAX9208的眼圖 ，數據速率720Mbps、tTJ = 320ps、tMJ = N/A、 傳輸2.592 × 1012位。
無誤碼，垂直刻度：200mV/Div，水平刻度：500ps/Div。

為確定解串器在信號退化的條件下恢復數據的能力(即抖動裕量低于數據表中的指定參數)，在100英尺電纜下對兩組串行-解串器進行了測試，串行測試數據被連續發送了10小時以上，表4給出了抖動測試結果、電壓峰值、誤碼數。圖5給出了眼圖。

表4. MAX9205–MAX9206和MAX9207–MAX9208的tTJ、tMJ、VP-P和誤碼率

Cable Length (Feet)	Bit Rate (Mbps)	Data Rate (Mbps)	Total Jitter tTJ (ps)*	Marginal Jitter tMJ (ps)*	Differential Voltage VP-P (mV*)	Error Count (2.592 x 1012 bits)
MAX9205–MAX9206
100	480	400	660	N/A	192	Transmitted bits: 1.73 x 1013 Error bits: 0 Test time: > 10hrs
MAX9207–MAX9208
100	520	433	1020	N/A	110	Transmitted bits: 1.87 x 1013 Error bits: 0 Test time: > 10hrs

*tTJ、tMJ測量分辨率為20ps，VP-P測量分辨率為2mV。


圖5a. 經過100英尺電纜傳輸后的眼圖，數據速率：480Mbps, tTJ = 660ps, tMJ = N/A, 傳輸1.73 × 1013位
無誤碼，垂直刻度：200mV/Div，水平刻度：1ns/Div。



圖5b. 經過100英尺電纜傳輸后的眼圖，數據速率：520Mbps, tTJ = 1020ps, tMJ = N/A, 傳輸1.87 × 1013位
無誤碼，垂直刻度：200mV/Div，水平刻度：1ns/Div。

所有測試結果中都沒有誤碼記錄，以520Mbps的比特率經過100英尺電纜傳輸后信號幅度為110mV，幅度大約為tMJ規定的300mVP-P的三分之一，此外，tTJ = 1020ps,抖動占1923ps單位間隔(tUI = 1/520Mbps)的一半以上。在這些條件下得到的無誤碼測試結果為數據表中的指標(表1)提供了一定的測試裕量。

另外，根據測試結果可以預測BER，假設串行數據序列中任何一位發生誤碼的概率相同，而且各位發生誤碼事件是獨立的。如果BER為q，則串行數據序列可以看作參數為q的Bernoulli試驗模型，設發送比特數為n，n位序列無誤碼概率可用式1表示：

Pno error = (1 - q)n

Eq. 01

采用100英尺電纜、無誤碼發送超過1.73 × 1013位的數據，如果BER的q值低于3.01 × 10-13，則由式1計算出Pno error為0.0056。由此可知，如果BER為3.0 × 10-13或更高時，對于一個1.73 × 1013的比特流提供無誤碼傳輸的概率為0.0056。從統計意義上說，如果無誤碼傳輸一個1.73 × 1013位的序列，則BER < 3.0 × 10-13這一假設成立的概率為99.44%。這一結論是在100英尺的電纜長度、信號質量較差的條件下得到的，當電纜長度較短、信號質量較高時可獲得更高的鏈路可靠性。

結論

本文通過BER測試驗證了MAX9205–MAX9206和MAX9207–MAX9208串行-解串器利用不同長度的低成本CAT-5E電纜傳輸數據時的可靠性。結果表明即使在信號退化的情況下，BER低于3.0 × 10-13的可信度仍然高于99%。測試結果還表明數據表中給出的最大抖動限制是比較保守的估計，足以保證鏈路的高可靠性。由于測量是在特定條件下進行，推薦實際應用中參照表1規格。所提供的裕量可以補償架構、電源電壓、溫度變化產生的影響。