利用串行-解串器能夠大大減少近距離、寬帶數(shù)據(jù)通信中的連線，類似的應(yīng)用有電信和網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的背板互連、3G蜂窩電話基站中機(jī)架內(nèi)部的互連、數(shù)字視頻接口等。電流模式、低電壓差分信號(hào)(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(biāo)準(zhǔn)，TIA/EIA-644-A，只是規(guī)定了信號(hào)電平等物理層參數(shù)，沒(méi)有給出諸如數(shù)據(jù)速率與電纜長(zhǎng)度對(duì)應(yīng)關(guān)系的互連特性。LVDS標(biāo)準(zhǔn)提供給用戶的僅僅是LVDS信號(hào)的基本兼容規(guī)范，而在高速應(yīng)用中用戶還必須了解在規(guī)定的電纜和傳輸距離條件下所能達(dá)到的性能。

本文給出了實(shí)驗(yàn)室測(cè)試結(jié)果，并分析了MAX9205/MAX9207 LVDS串行器和MAX9206/MAX9208解串器在不同數(shù)據(jù)速率、電纜長(zhǎng)度下的誤碼率(BER)指標(biāo)。本文還探討了與鏈路眼圖中的抖動(dòng)相關(guān)的BER。

Maxim的MAX9205/MAX9207 LVDS串行器和MAX9206/MAX9208 LVDS解串器能夠通過(guò)差分特性阻抗為100Ω的串行點(diǎn)對(duì)點(diǎn)鏈路高速傳輸數(shù)據(jù)，MAX9205–MAX9206的串行“有效載荷”數(shù)據(jù)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(yōu)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(cè)試是衡量傳輸鏈路可靠性最直接、最準(zhǔn)確的途徑，數(shù)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(jìn)行BER測(cè)試需要高品質(zhì)的信號(hào)發(fā)生器和特定的測(cè)試設(shè)備，BER測(cè)試需要用數(shù)小時(shí)甚至幾天的時(shí)間傳輸大量的數(shù)據(jù)以達(dá)到10-12或更低BER的測(cè)試要求，這取決于數(shù)據(jù)的傳輸速率?？紤]到BER測(cè)試比較耗時(shí)，通常用一些快速測(cè)量方式預(yù)測(cè)傳輸鏈路的可靠性，例如設(shè)置產(chǎn)生低BER的抖動(dòng)電平，我們測(cè)試了MAX9205–MAX9206和MAX9207–MAX9208鏈路的抖動(dòng)指標(biāo)(圖3中標(biāo)注為“marginal jitter”，并將其與BER相關(guān)聯(lián)。BER測(cè)試通常用于驗(yàn)證數(shù)據(jù)表中抖動(dòng)指標(biāo)的最大值。圖1表示用LVDS串行器/解串器建立點(diǎn)對(duì)點(diǎn)鏈路的配置。

測(cè)試裝置

MAX9205或MAX9207 LVDS串行器發(fā)送LVDS信號(hào)，串行器在并行數(shù)據(jù)時(shí)鐘(TCLK)的上升沿鎖存10位并行數(shù)據(jù)，加入2位同步碼后通過(guò)單路LVDS輸出端口發(fā)送串行數(shù)據(jù)。MAX9205的并行數(shù)據(jù)時(shí)鐘范圍為16MHz至40MHz；MAX9207時(shí)鐘范圍為40MHz至60MHz。加入2位同步碼后串行數(shù)據(jù)比特率為12 × TCLK。“有效載荷”串行數(shù)據(jù)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(cè)試裝置(圖2)中，2號(hào)評(píng)估板的串行器和解串器將Agilent 86130A BER測(cè)試儀的串行I/O轉(zhuǎn)換成并行I/O。并行數(shù)據(jù)送入或從1號(hào)電纜測(cè)試評(píng)估板讀出。86130A輸出的串行數(shù)據(jù)序列碼長(zhǎng)1200位，其中1000位取自210-1偽隨機(jī)二進(jìn)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(hào)評(píng)估板的解串器移出同步碼、輸出PRBS并行數(shù)據(jù)至1號(hào)評(píng)估板的電纜測(cè)試串行器。串行數(shù)據(jù)序列被連續(xù)重復(fù)發(fā)送，Agilent 81250提供所需要的參考時(shí)鐘(TCLK用于串行器、REFCLK用于解串器)。采用General Cable Inc.生產(chǎn)的以太網(wǎng)電纜5E、AWG24非屏蔽雙絞線(型號(hào)為2133629H)。


圖2. 電纜測(cè)試裝置

我們分別測(cè)試了電纜長(zhǎng)度為5英尺、15英尺、30英尺、60英尺和100英尺時(shí)的BER，并采用Tektronix TDS784C示波器和Tektronix P6247 1.0GHz差分探測(cè)器測(cè)試了解串器輸入端的眼圖抖動(dòng)特性?？梢哉{(diào)節(jié)81250提供的TCLK串行器參考時(shí)鐘的延遲時(shí)間使其符合數(shù)據(jù)資料中列出的串行器輸入建立時(shí)間和保持時(shí)間的要求。

測(cè)試結(jié)果

測(cè)試中分別采用了MAX9205–MAX9206和MAX9207–MAX9208串行-解串器對(duì)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(hào)的完整性，定義兩個(gè)參數(shù)：總計(jì)抖動(dòng)(tTJ)和臨界抖動(dòng)(tMJ)，tTJ是在差分電壓為0時(shí)測(cè)試的抖動(dòng)時(shí)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(dòng)中點(diǎn)與300mV峰值差分電壓對(duì)應(yīng)的抖動(dòng)中點(diǎn)之間的時(shí)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(diǎn)發(fā)生轉(zhuǎn)換，但是，比較保守的方法是假設(shè)需要額外的差分電壓提供過(guò)驅(qū)動(dòng)。tTJ對(duì)應(yīng)的電平轉(zhuǎn)換發(fā)生在0V差分電壓，而tMJ則要求在轉(zhuǎn)換解串器輸入電平之前差分信號(hào)需達(dá)到300mVP-P。由此可見(jiàn)，用tMJ檢測(cè)信號(hào)的完整性更加可靠。tUI (圖3)定義為一比特串行碼的持續(xù)時(shí)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(cè)試點(diǎn)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(cè)試點(diǎn)相對(duì)于地電位得到的高電平是：VOUT+ = 1.35V、VOUT- = 1.10V;相對(duì)于地電位得到的低電平是：VOUT+ = 1.10V、VOUT- = 1.35V，則VP-P = 500mV。由于測(cè)試采用了差分探頭(測(cè)試結(jié)果是VOUT+減去VOUT-)，眼圖顯示的是VP-P的結(jié)果。


圖3. 抖動(dòng)參數(shù)定義

表1列出了MAX9206/MAX9208解串器數(shù)據(jù)資料中規(guī)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(shù)據(jù)的恢復(fù)。

表1. 最大臨界抖動(dòng)

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

測(cè)試過(guò)程在兩種條件下進(jìn)行，第一個(gè)測(cè)試條件是：串行測(cè)試模板按照串行-解串器對(duì)兒所允許的最高速率、在不同電纜長(zhǎng)度下運(yùn)行1小時(shí)，測(cè)試tTJ、tMJ和誤碼數(shù)；第二個(gè)測(cè)試條件是：在最大抖動(dòng)條件下(大于數(shù)據(jù)表中tMJ的最大值)，發(fā)送10小時(shí)以上的串行測(cè)試數(shù)據(jù)(發(fā)送碼長(zhǎng)高于1.73 × 1013位)，測(cè)試tTJ、tMJ和誤碼數(shù)。

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(zhǎng)度下的測(cè)試結(jié)果。比特率為串行信號(hào)速率，數(shù)據(jù)速率為“有效載荷”串行數(shù)據(jù)速率(數(shù)據(jù)速率 = (10/12) × 比特率)。

表2. MAX9205–MAX9206的tTJ、tMJ、VP-P和誤碼率(測(cè)量時(shí)間1小時(shí))

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(cè)量分辨率為10ps，VP-P測(cè)量分辨率為2mV。

表3. MAX9207–MAX9208的tTJ、tMJ、VP-P和誤碼率(測(cè)量時(shí)間1小時(shí))

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(cè)量分辨率為10ps，VP-P測(cè)量分辨率為2mV。

根據(jù)測(cè)試結(jié)果，圖4給出了經(jīng)過(guò)30英尺、60英尺電纜傳輸后，在MAX9208解串器出測(cè)試得到的眼圖。

adPic/2009-4/2009424151936184.jpg">
圖4a. 經(jīng)過(guò)30英尺電纜傳輸后MAX9207–MAX9208的眼圖 ，數(shù)據(jù)速率720Mbps、tTJ = 220ps、tMJ = 270ps、 傳輸2.592 × 1012位。
無(wú)誤碼，垂直刻度：200mV/Div，水平刻度：500ps/Div。


圖4b. 經(jīng)過(guò)30英尺電纜傳輸后MAX9207–MAX9208的眼圖 ，數(shù)據(jù)速率720Mbps、tTJ = 320ps、tMJ = N/A、 傳輸2.592 × 1012位。
無(wú)誤碼，垂直刻度：200mV/Div，水平刻度：500ps/Div。

為確定解串器在信號(hào)退化的條件下恢復(fù)數(shù)據(jù)的能力(即抖動(dòng)裕量低于數(shù)據(jù)表中的指定參數(shù))，在100英尺電纜下對(duì)兩組串行-解串器進(jìn)行了測(cè)試，串行測(cè)試數(shù)據(jù)被連續(xù)發(fā)送了10小時(shí)以上，表4給出了抖動(dòng)測(cè)試結(jié)果、電壓峰值、誤碼數(shù)。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(cè)量分辨率為20ps，VP-P測(cè)量分辨率為2mV。


圖5a. 經(jīng)過(guò)100英尺電纜傳輸后的眼圖，數(shù)據(jù)速率：480Mbps, tTJ = 660ps, tMJ = N/A, 傳輸1.73 × 1013位
無(wú)誤碼，垂直刻度：200mV/Div，水平刻度：1ns/Div。



圖5b. 經(jīng)過(guò)100英尺電纜傳輸后的眼圖，數(shù)據(jù)速率：520Mbps, tTJ = 1020ps, tMJ = N/A, 傳輸1.87 × 1013位
無(wú)誤碼，垂直刻度：200mV/Div，水平刻度：1ns/Div。

所有測(cè)試結(jié)果中都沒(méi)有誤碼記錄，以520Mbps的比特率經(jīng)過(guò)100英尺電纜傳輸后信號(hào)幅度為110mV，幅度大約為tMJ規(guī)定的300mVP-P的三分之一，此外，tTJ = 1020ps,抖動(dòng)占1923ps單位間隔(tUI = 1/520Mbps)的一半以上。在這些條件下得到的無(wú)誤碼測(cè)試結(jié)果為數(shù)據(jù)表中的指標(biāo)(表1)提供了一定的測(cè)試裕量。

另外，根據(jù)測(cè)試結(jié)果可以預(yù)測(cè)BER，假設(shè)串行數(shù)據(jù)序列中任何一位發(fā)生誤碼的概率相同，而且各位發(fā)生誤碼事件是獨(dú)立的。如果BER為q，則串行數(shù)據(jù)序列可以看作參數(shù)為q的Bernoulli試驗(yàn)?zāi)Ｐ停O(shè)發(fā)送比特?cái)?shù)為n，n位序列無(wú)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(wú)誤碼發(fā)送超過(guò)1.73 × 1013位的數(shù)據(jù)，如果BER的q值低于3.01 × 10-13，則由式1計(jì)算出Pno error為0.0056。由此可知，如果BER為3.0 × 10-13或更高時(shí)，對(duì)于一個(gè)1.73 × 1013的比特流提供無(wú)誤碼傳輸?shù)母怕蕿?.0056。從統(tǒng)計(jì)意義上說(shuō)，如果無(wú)誤碼傳輸一個(gè)1.73 × 1013位的序列，則BER < 3.0 × 10-13這一假設(shè)成立的概率為99.44%。這一結(jié)論是在100英尺的電纜長(zhǎng)度、信號(hào)質(zhì)量較差的條件下得到的，當(dāng)電纜長(zhǎng)度較短、信號(hào)質(zhì)量較高時(shí)可獲得更高的鏈路可靠性。

結(jié)論

本文通過(guò)BER測(cè)試驗(yàn)證了MAX9205–MAX9206和MAX9207–MAX9208串行-解串器利用不同長(zhǎng)度的低成本CAT-5E電纜傳輸數(shù)據(jù)時(shí)的可靠性。結(jié)果表明即使在信號(hào)退化的情況下，BER低于3.0 × 10-13的可信度仍然高于99%。測(cè)試結(jié)果還表明數(shù)據(jù)表中給出的最大抖動(dòng)限制是比較保守的估計(jì)，足以保證鏈路的高可靠性。由于測(cè)量是在特定條件下進(jìn)行，推薦實(shí)際應(yīng)用中參照表1規(guī)格。所提供的裕量可以補(bǔ)償架構(gòu)、電源電壓、溫度變化產(chǎn)生的影響。