应用笔记 2023

LVDS串行-解串器在双绞线电缆数据传输中的性能分析

利用串行-解串器能够大大减少近距离、宽带数据通信中的连线,类似的应用有电信和网络设备的背板互连、3G蜂窝电话基站中机架内部的互连、数字视频接口等。电流模式、低电压差分信号(LVDS)的好处在于易端接、低传输功耗、低电磁干扰(EMI)。

LVDS的主要标准,TIA/EIA-644-A,只是规定了信号电平等物理层参数,没有给出诸如数据速率与电缆长度对应关系的互连特性。LVDS标准提供给用户的仅仅是LVDS信号的基本兼容规范,而在高速应用中用户还必须了解在规定的电缆和传输距离条件下所能达到的性能。

本文给出了实验室测试结果,并分析了MAX9205/MAX9207 LVDS串行器和MAX9206/MAX9208解串器在不同数据速率、电缆长度下的误码率(BER)指标。本文还探讨了与链路眼图中的抖动相关的BER。

Maxim的MAX9205/MAX9207 LVDS串行器和MAX9206/MAX9208 LVDS解串器能够通过差分特性阻抗为100Ω的串行点对点链路高速传输数据,MAX9205–MAX9206的串行“有效载荷”数据速率(含同步码)为160Mbps至400Mbps;MAX9207–MAX9208速率为400Mbps至600Mbps。两组芯片引脚兼容,但分别优化在不同的频率范围。本文提供了利用非屏蔽电缆(CAT-5E)在不同传输距离下的BER和眼图。

BER测试是衡量传输链路可靠性最直接、最准确的途径,数字通信链路要求非常低的误码率—一千亿分之一(BER为10-12)或更低。

进行BER测试需要高品质的信号发生器和特定的测试设备,BER测试需要用数小时甚至几天的时间传输大量的数据以达到10-12或更低BER的测试要求,这取决于数据的传输速率。考虑到BER测试比较耗时,通常用一些快速测量方式预测传输链路的可靠性,例如设置产生低BER的抖动电平,我们测试了MAX9205–MAX9206和MAX9207–MAX9208链路的抖动指标(图3中标注为“marginal jitter”,并将其与BER相关联。BER测试通常用于验证数据表中抖动指标的最大值。图1表示用LVDS串行器/解串器建立点对点链路的配置。

测试装置

MAX9205或MAX9207 LVDS串行器发送LVDS信号,串行器在并行数据时钟(TCLK)的上升沿锁存10位并行数据,加入2位同步码后通过单路LVDS输出端口发送串行数据。MAX9205的并行数据时钟范围为16MHz至40MHz;MAX9207时钟范围为40MHz至60MHz。加入2位同步码后串行数据比特率为12 × TCLK。“有效载荷”串行数据速率(串行比特率减去2位同步码)为10 × TCLK。MAX9205/MAX9207和MAX9206/MAX9208功能框图如图1所示。

图1. 串行器/解串器功能框图
图1. 串行器/解串器功能框图

在电缆测试装置(图2)中,2号评估板的串行器和解串器将Agilent 86130A BER测试仪的串行I/O转换成并行I/O。并行数据送入或从1号电缆测试评估板读出。86130A输出的串行数据序列码长1200位,其中1000位取自210-1伪随机二进制序列(PRBS),每10位PRBS码插入01同步码仿真串行器的添加位。2号评估板的解串器移出同步码、输出PRBS并行数据至1号评估板的电缆测试串行器。串行数据序列被连续重复发送,Agilent 81250提供所需要的参考时钟(TCLK用于串行器、REFCLK用于解串器)。采用General Cable Inc.生产的以太网电缆5E、AWG24非屏蔽双绞线(型号为2133629H)。

图2. 电缆测试装置
图2. 电缆测试装置

我们分别测试了电缆长度为5英尺、15英尺、30英尺、60英尺和100英尺时的BER,并采用Tektronix TDS784C示波器和Tektronix P6247 1.0GHz差分探测器测试了解串器输入端的眼图抖动特性。可以调节81250提供的TCLK串行器参考时钟的延迟时间使其符合数据资料中列出的串行器输入建立时间和保持时间的要求。

测试结果

测试中分别采用了MAX9205–MAX9206和MAX9207–MAX9208串行-解串器对儿,86310A为MAX9205–MAX9206提供的串行比特率为192Mbps至480Mbps,为MAX9207–MAX9208提供的比特率为480Mbps至720Mbps。

为了量化眼图信号的完整性,定义两个参数:总计抖动(tTJ)和临界抖动(tMJ),tTJ是在差分电压为0时测试的抖动时间宽度(0差分电压是示波器轨迹的横轴),tMJ是零差分电压处的抖动中点与300mV峰值差分电压对应的抖动中点之间的时间间隔(图3)。人们可能期望解串器-差分输入在差分电压为0V点发生转换,但是,比较保守的方法是假设需要额外的差分电压提供过驱动。tTJ对应的电平转换发生在0V差分电压,而tMJ则要求在转换解串器输入电平之前差分信号需达到300mVP-P。由此可见,用tMJ检测信号的完整性更加可靠。tUI (图3)定义为一比特串行码的持续时间(单位间隔),单位间隔是参考频率周期除以12。

差分峰值电压用VP-P表示,VP-P是测试点单端电压的差值幅度的两倍,或VP-P = 2 × l(VOUT+) - (VOUT-)l。例如,如果在测试点相对于地电位得到的高电平是:VOUT+ = 1.35V、VOUT- = 1.10V;相对于地电位得到的低电平是:VOUT+ = 1.10V、VOUT- = 1.35V,则VP-P = 500mV。由于测试采用了差分探头(测试结果是VOUT+减去VOUT-),眼图显示的是VP-P的结果。

图3. 抖动参数定义
图3. 抖动参数定义

表1列出了MAX9206/MAX9208解串器数据资料中规定的最大tMJ,如果tMJ低于或等于表中列出的最大值,解串器能够确保数据的恢复。

表1. 最大临界抖动
Bit Rate
(Mbps)
Data Rate
(Mbps)
Maximum Marginal
Jitter tMJ (ps)
192
160
1300
480
400
720
720
600
320

测试过程在两种条件下进行,第一个测试条件是:串行测试模板按照串行-解串器对儿所允许的最高速率、在不同电缆长度下运行1小时,测试tTJ、tMJ和误码数;第二个测试条件是:在最大抖动条件下(大于数据表中tMJ的最大值),发送10小时以上的串行测试数据(发送码长高于1.73 × 1013位),测试tTJ、tMJ和误码数。

表2表3分别为MAX9205–MAX9206和MAX9207–MAX9208串行-解串器在5英尺至60英尺电缆长度下的测试结果。比特率为串行信号速率,数据速率为“有效载荷”串行数据速率(数据速率 = (10/12) × 比特率)。

表2. MAX9205–MAX9206的tTJ、tMJ、VP-P和误码率(测量时间1小时)
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测量分辨率为10ps,VP-P测量分辨率为2mV。

表3. MAX9207–MAX9208的tTJ、tMJ、VP-P和误码率(测量时间1小时)
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测量分辨率为10ps,VP-P测量分辨率为2mV。

根据测试结果,图4给出了经过30英尺、60英尺电缆传输后,在MAX9208解串器出测试得到的眼图。

图4a. 经过30英尺电缆传输后MAX9207–MAX9208的眼图 ,数据速率720Mbps、tTJ = 220ps、tMJ = 270ps、 传输2.592 1012位。无误码,垂直刻度:200mV/Div,水平刻度:500ps/Div。
图4a. 经过30英尺电缆传输后MAX9207–MAX9208的眼图 ,数据速率720Mbps、tTJ = 220ps、tMJ = 270ps、 传输2.592 × 1012位。
无误码,垂直刻度:200mV/Div,水平刻度:500ps/Div。


图4b. 经过30英尺电缆传输后MAX9207–MAX9208的眼图 ,数据速率720Mbps、tTJ = 320ps、tMJ = N/A、 传输2.592 1012 位。
图4b. 经过30英尺电缆传输后MAX9207–MAX9208的眼图 ,数据速率720Mbps、tTJ = 320ps、tMJ = N/A、 传输2.592 × 1012位。
无误码,垂直刻度:200mV/Div,水平刻度:500ps/Div。


为确定解串器在信号退化的条件下恢复数据的能力(即抖动裕量低于数据表中的指定参数),在100英尺电缆下对两组串行-解串器进行了测试,串行测试数据被连续发送了10小时以上,表4给出了抖动测试结果、电压峰值、误码数。图5给出了眼图。

表4. MAX9205–MAX9206和MAX9207–MAX9208的tTJ、tMJ、VP-P和误码率
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测量分辨率为20ps,VP-P测量分辨率为2mV。

图5a. 经过100英尺电缆传输后的眼图,数据速率:480Mbps, tTJ = 660ps, tMJ = N/A, 传输1.73 1013位
图5a. 经过100英尺电缆传输后的眼图,数据速率:480Mbps, tTJ = 660ps, tMJ = N/A, 传输1.73 × 1013
无误码,垂直刻度:200mV/Div,水平刻度:1ns/Div。


图5b. 经过100英尺电缆传输后的眼图,数据速率:520Mbps, tTJ = 1020ps, tMJ = N/A, 传输1.87 1013位
图5b. 经过100英尺电缆传输后的眼图,数据速率:520Mbps, tTJ = 1020ps, tMJ = N/A, 传输1.87 × 1013
无误码,垂直刻度:200mV/Div,水平刻度:1ns/Div。


所有测试结果中都没有误码记录,以520Mbps的比特率经过100英尺电缆传输后信号幅度为110mV,幅度大约为tMJ规定的300mVP-P的三分之一,此外,tTJ = 1020ps,抖动占1923ps单位间隔(tUI = 1/520Mbps)的一半以上。在这些条件下得到的无误码测试结果为数据表中的指标(表1)提供了一定的测试裕量。

另外,根据测试结果可以预测BER,假设串行数据序列中任何一位发生误码的概率相同,而且各位发生误码事件是独立的。如果BER为q,则串行数据序列可以看作参数为q的Bernoulli试验模型,设发送比特数为n,n位序列无误码概率可用式1表示:

Pno error = (1 - q)n
Eq. 01

采用100英尺电缆、无误码发送超过1.73 × 1013位的数据,如果BER的q值低于3.01 × 10-13,则由式1计算出Pno error为0.0056。由此可知,如果BER为3.0 × 10-13或更高时,对于一个1.73 × 1013的比特流提供无误码传输的概率为0.0056。从统计意义上说,如果无误码传输一个1.73 × 1013位的序列,则BER < 3.0 × 10-13这一假设成立的概率为99.44%。这一结论是在100英尺的电缆长度、信号质量较差的条件下得到的,当电缆长度较短、信号质量较高时可获得更高的链路可靠性。

结论

本文通过BER测试验证了MAX9205–MAX9206和MAX9207–MAX9208串行-解串器利用不同长度的低成本CAT-5E电缆传输数据时的可靠性。结果表明即使在信号退化的情况下,BER低于3.0 × 10-13的可信度仍然高于99%。测试结果还表明数据表中给出的最大抖动限制是比较保守的估计,足以保证链路的高可靠性。由于测量是在特定条件下进行,推荐实际应用中参照表1规格。所提供的裕量可以补偿架构、电源电压、温度变化产生的影响。
下一步
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