摘要：高速串行化數(shù)據(jù)連接已廣泛用于網(wǎng)絡、服務器和3G基站中的視頻顯示、數(shù)碼相機和背板數(shù)據(jù)傳輸。Maxim為串行收發(fā)鏈路開發(fā)了各種產(chǎn)品，本應用筆記討論了典型的串行器和解串器(SerDes)芯片組(MAX9247和MAX9218)在不同的電纜類型、電纜長度和數(shù)據(jù)速率下的性能。所得結論可以作為高速串行數(shù)據(jù)互連的應用指南。

概述

Maxim的高速串行器、解串器(SerDes)產(chǎn)品已經(jīng)應用于汽車、網(wǎng)絡、服務器和3G基站中的視頻、圖像和數(shù)據(jù)傳輸。MAX9247串行器與MAX9218解串器構成一對兒典型的具有嵌入式時鐘的單通道LVDS鏈路。該鏈路的最高串行數(shù)據(jù)速率可達800Mbps。

本應用筆記討論了該數(shù)據(jù)收發(fā)鏈路在不同電纜類型、電纜長度和數(shù)據(jù)速率情況下的的性能以及采用Maxim專有的預加重技術和線路均衡技術所帶來的性能改善。同時為了滿足汽車應用中惡劣環(huán)境的要求，該串行器/解串器(SerDes)芯片組在-40°到+105°C溫度范圍內(nèi)進行了測試。

測試裝置

測試裝置包括一臺Agilent ParBERT 81250測試儀，TDS784C 1GHz數(shù)字示波器，TEK P6247差分探針和MAX9217/MAX9218評估板，Agilent 81250是并行誤碼率測試儀(BERT)。這些器件的連接方式如下圖所示(圖1)。


圖1. MAX9247和MAX9218的性能測試裝置

MAX9247有27位并行數(shù)據(jù)輸入，其中18位是RGB視頻數(shù)據(jù)輸入，9位是控制輸入。LVDS串行鏈路的數(shù)據(jù)速率為并行數(shù)據(jù)速率的20倍，包括2個附加位。Agilent 81250的前9個輸出通道連接至前9個RGB輸入端(RGB_IN0到RGB_IN8)。前9個通道的反向輸出連接到剩余的9個RGB輸入端(RGB_IN9到RGB_IN17)，誤碼率測試儀(BERT)只檢測RGB數(shù)據(jù)。ParBERT的每一個輸出通道的數(shù)據(jù)序列是獨立產(chǎn)生的、在21492長度內(nèi)無重復的偽隨機序列比特流，RGB數(shù)據(jù)序列的長度是1370位。在1370位之后加一個20位的時間間隔作為控制周期。所有的控制位(CNTL_IN0到CNTL_IN8)通常被設置為0。圖2所示為數(shù)據(jù)結構。這個1390位的并行數(shù)據(jù)格式在測試中重復出現(xiàn)，信號DE_IN交替改變RGB數(shù)據(jù)周期和控制周期。


圖2. 測試數(shù)據(jù)的序列結構

測試條件和測量結果

我們測試了3對兒雙絞電纜，如下表所示。

表1. 測試的電纜類型

Manufacturer	Part Number	Length(M)	Comments
NISSEI	SIODIC F-2WME, AWG26	10, 20, 30	Shielded
	SIODIC F-2WME, AWG28	10, 20, 30
General Cable	CAT5E, AWG24	10, 20, 30	Unshielded
JAE	MX38	20	Shielded

為了測試串行器/解串器(SerDes)芯片組的性能和電纜長度與數(shù)據(jù)速率的關系，我們觀察了不同電纜長度的誤碼率(BER)，并記錄了10分鐘之內(nèi)無誤碼時的最高并行數(shù)據(jù)速率。數(shù)據(jù)速率的增量是1Mbps。我們用這種方法測量性能主要基于LVDS SerDes收發(fā)器的兩方面考慮：第一，如果10分鐘內(nèi)沒有誤碼的話，那就很有可能在幾個小時內(nèi)也不會出現(xiàn)誤碼；第二，即使在速率非常低的情況下也能在十分鐘內(nèi)觀察到誤碼的話，那么微小的數(shù)據(jù)速率增量(<0.5Mbps)也將造成解串器上的DE_OUT信號失鎖。因此，我們的方法是考慮了測試時間和測試可靠性的一個合理的折衷方案。所以，我們可以假設，在某一特定數(shù)據(jù)速率下，若十分鐘內(nèi)沒有誤碼發(fā)生，那么鏈路的誤碼率(BER)小于10-10或10-11。根據(jù)統(tǒng)計，我們可以用式1計算這個假設的置信度：



其中，N是在觀察周期內(nèi)(例如10分鐘)通過串行鏈路傳輸?shù)谋忍財?shù)，p是假設的誤碼率(BER)。表2所示是對不同數(shù)據(jù)速率的置信度。

表2. 10分鐘內(nèi)觀察到的置信度和數(shù)據(jù)速率的關系

Parallel Data Rate(Mbps)	Number, N, of Bits Transmitted by the Serial Link in Ten Minutes	Confidence Level of p
		BER < 10-10	BER < 10-11
10	12 x 1010	> 99.999%	69.88%
20	24 x 1010	> 99.999%	90.92%
30	36 x 1010	> 99.999%	97.27%
40	48 x 1010	> 99.999%	99.18%

測試結果

表3所示是在不同的電纜類型、電纜長度和數(shù)據(jù)速率，以及預加重功能和LVDS均衡器使能或禁止情況下得到的性能。預加重功能集成在MAX9247內(nèi)，將評估板上跳線JP15設置為高電平即可將其使能。專有的LVDS均衡器放置在MAX9247的LVDS輸出端，如圖1所示。欲知均衡器的實現(xiàn)細節(jié)，請聯(lián)系Maxim的應用技術支持。表3中的所有數(shù)據(jù)都是在室溫下測試得到的。30m NISSEI AWG26電纜在擴展級溫度范圍內(nèi)的測試結果如表4所示。

表3. 在不同條件下測試所得的SerDes收發(fā)器的可靠數(shù)據(jù)速率

Cable Type	Pre-Emphasis	LVDS Link Equalizer	Maximum Reliable Serial Data Rate (SDR)
			Cable Length
			10m		20m		30m
			PCLK (MHz)	SDR (Mbps)	PCLK (MHz)	SDR (Mbps)	PCLK (MHz)	SDR (Mbps)
NISSEI AWG26	Off	Off	34	612	25	450	15	270
	On	Off	40	720	27	486	17	306
	Off	On	38	684	34	612	30	540
	On	On	43	774	39	702	35	630
NISSEI AWG28	Off	Off	33	594	16	288	8	144
	On	Off	36	648	23	414	10	180
	Off	On	35	630	33	594	23	414
	On	On	41	738	37	666	28	504
General Cable CAT5e	Off	Off	38	684	26	468	16	288
	On	Off	42	756	28	504	18	324
	Off	On	38	684	35	630	32	576
	On	On	44	792	42	756	36	648
JAE MX38	Off	Off	?	?	16	288	?	?
	On	Off	?	?	24	432	?	?
	Off	On	?	?	35	630	?	?
	On	On	?	?	40	720	?	?

表4. 在擴展級溫度范圍內(nèi)測得的SerDes收發(fā)器的可靠數(shù)據(jù)速率(*)

Cable Type	Maximum Reliable Serial Data Rate (SDR)
	Temperature
	-40°C		25°C		105°C
	PCLK (MHz)	SDR (Mbps)	PCLK (MHz)	SDR (Mbps)	PCLK (MHz)	SDR (Mbps)
NISSEI AGW26, 30m	36	648	35	630	31	558

*注：在這個測試中，預加重功能和LVDS均衡器都為使能狀態(tài)。

下面的眼圖是在解串器的LVDS輸入端口記錄下來的。這些圖形顯示了解串器對失真符號的數(shù)據(jù)恢復能力。我們同樣可以在眼圖中看出LVDS鏈路均衡器對信號的顯著改善。


圖3. NISSEI AWG26電纜，20m長，速率為702Mbps，啟用預加重功能和均衡器


圖4. NISSEI AWG26電纜，30m長，速率為630Mbps，啟用預加重功能和均衡器


圖5. NISSEI AWG26電纜，30m長，速率為306Mbps，啟用預加重功能


圖6. NISSEI AWG26電纜，30m長，速率為306Mbps，啟用預加重功能和均衡器

總結

由表3和表4所示結果，我們可以得出以下結論：

• 雖然CAT5E非屏蔽電纜的性能比其它兩種類型的電纜好，但是它在應用中會有電磁干擾(EMI)的問題。
• 預加重和LVDS均衡有助于改善鏈路性能。預加重可為短程電纜提供更大的幅度提升，而均衡器對長電纜的改善更有效。對于30m的電纜，均衡器可以使其數(shù)據(jù)傳輸速率翻倍。
• 在擴展級溫度范圍內(nèi)的性能差異相對很小。
• 電纜的線規(guī)會制約性能。推薦使用優(yōu)于AWG28的電纜。

參考文獻

1. Maxim的高速互連設計指南
2. MAX9247數(shù)據(jù)資料
3. MAX9218數(shù)據(jù)資料