设计指南 5045

Maxim GMSL SerDes器件的预加重和均衡

By: Caglar Yilmazer

摘要 : 发送端的预加重和接收端的均衡能够使串行器/解串器(SerDes)采用廉价的电缆传输数据或延长数据传输距离。本应用笔记介绍了电缆对信号传输的影响,以及如何补偿。此外,文章介绍了使用有损电缆时,如何利用Maxim的多媒体串行链路(GMSL)产品构建可靠链路。本文还简要介绍了线路均衡技术。

类似文章于2011年11月2日刊登在John Day's Automotive Electronics News

引言

随着视频应用的快速发展,数据传输流量正以指数级迅猛增长,迫切需要更高的数据传输速率。因此,低成本双绞线(TP)也逐渐受到人们的特别关注。而TP电缆的高频衰减是限制其应用性能的主要因素,高频衰减造成接收信号出现明显的码间干扰(ISI),进而难以恢复时钟和数据,导致误码率(BER)升高。从图1可以看出发送信号在到达接收器之前被电缆衰减的结果。发送器和接收器采取一定形式的线路均衡,可大幅降低ISI并恢复严重劣化的数据,确保可靠工作。
图1. 接收器端的ISI
图1. 接收器端的ISI
Maxim GMSL产品中的3.125Gbps高速收发器允许系统设计人员动态调整实际电缆的均衡电平,提供可靠的通信链路。发送器和接收器均具有均衡调节,可独立或配合设置,以延长数据传输距离。灵活的均衡调节允许使用各种低成本有损电缆。
本应用笔记介绍如何利用Maxim GMSL产品和有损电缆构建可靠的通信链路。本文简要介绍了线路均衡技术。

GMSL发送预加重和接收均衡

GMSL链路采用发送预加重和接收均衡补偿传输损耗。

发送预加重

如果在接收器端没有采用均衡,数据线在连续出现一串“1”后,发送高频“0”脉冲时可能无法恢复到信号摆幅的中间位置,如图2所示。图中解释了如何通过加重跳变沿、去加重“非跳变沿”,最终克服高频衰减问题。
图2. 时域预加重滤波
图2. 时域预加重滤波
导体和介电损耗使得电缆的传递函数表现为低通滤波,如图3所示。利用均衡(高通传函曲线),可在相应频带获得平坦(均匀衰减)的系统频响特性。
图3. 频域预加重滤波
图3. 频域预加重滤波
合理使用均衡技术,可以在下列三个方面改善系统设计:
  • 电缆长度
  • 电缆类型
  • 最大系统数据速率
例如,采用6dB预加重后,可以打开在10m电缆末端完全关闭的眼图(图4)。
图4. 经过10m电缆传输的3.125Gbps数据:(a) 无预加重;(b) 6dB预加重。
清晰图像
(PDF, 1.3MB)
图4. 经过10m电缆传输的3.125Gbps数据:(a) 无预加重;(b) 6dB预加重。
根据MAX9259数据资料,可由寄存器0x05中的D[3:0]设置预加重电平,用户可按照表1设置预加重电平。预加重负电平表示不加重高频,而只是去加重低频的情况。注意,增益过大时可能造成抖动增大。
表1. 预加重和去加重电平
0x05 D[3:0] Preemphasis Level (dB)
1000 1.1
1001 2.2
1010 3.3
1011 4.4
1100 6.0
1101 8.0
1110 10.5
1111 14.0
  Deemphasis Level (dB)
0000 Not used
0001 -1.2
0010 -2.5
0011 -4.1
0100 -6.0
0111 Not used
以下讨论如何使用发送器和接收器均衡,并以表格形式给出测试数据。

接收均衡

接收均衡的基本思路如图5所示,有损链路以近似一阶的传函特性衰减正向通道数据,链路传输特性的带宽远远低于数据频率(数据频率fb等于码率的一半)。码间干扰会引起确定性抖动;此外,经过远距离长线传输后,到达有损电缆末端的信号眼图可能完全闭合。为了补偿这种损耗,数据首先通过一个传递函数进行处理,理想情况下,该传递函数应该是与电缆传输特性相反的传输函数。这样,当链路和均衡器级联后,可以获得足够的带宽。GMSL解串器中采用12级可编程增益,防止不同电缆长度下出现下冲(增益过小)或过冲(增益过大)。增益可设置为在2dB至13dB之间12个不同放大倍数。
图5. 在接收器内增加一个传输函数与电缆传输特性相反的电路,对数据进行均衡。
图5. 在接收器内增加一个传输函数与电缆传输特性相反的电路,对数据进行均衡。
图6所示为不同增益设置下的接收器传输函数(交流特性);图7所示为10m STP电缆通道和均衡接收器共同作用下的传输函数。图中不同增益电平的响应特性有所重叠。增益设置为8倍(9.4dB)时,总体等效传输特性在工作频段非常平坦。图8给出了经过10m STP电缆传输后,接收器的输入、输出眼图。从图中可以看出,均衡器打开了完全闭合的眼图。
总体传函不平坦时,会发生什么?就ISI抖动而言,过冲造成的危害通常低于下冲。如图9所示,增益下降到最佳值以下时,输出抖动迅速增大。相反,增益增大到最佳值以上时,抖动增大得比较缓慢。
图6. 不同调谐设置下的均衡器交流特性和增益
图6. 不同调谐设置下的均衡器交流特性和增益
图7. 在10m STP电缆通道,电缆传输特性 + 不同增益均衡器(级联)的等效交流特性。
图7. 在10m STP电缆通道,电缆传输特性 + 不同增益均衡器(级联)的等效交流特性。
图8. 在10m电缆通道,最佳增益设置下的接收器输入、输出眼图。
图8. 在10m电缆通道,最佳增益设置下的接收器输入、输出眼图。
图9. 在10m电缆通道,ISI抖动峰-峰值与增益设置的关系。
图9. 在10m电缆通道,ISI抖动峰-峰值与增益设置的关系。

选择最佳的预加重和均衡器设置

您可能不想用频谱分析仪测量电缆损耗。这种情况下,为了选择最佳的预加重/均衡器设置,最简单的方法是观察一定频率下的系统误码率。以下提供了两个实际实例,供设计人员参考。
表2中,我们汇总了SerDes对(MAX9259/MAX9260MAX9249/MAX9268等)通过10m电缆传输视频数据时所能支持的最大像素时钟。表格中的每一栏列出了不同Rx均衡器的增益,每一行对应于不同的Tx预加重值。当传输介质得到适当均衡后,SerDes能够支持124MHz的传输速率。增益最小值为14.1dB (1.1dB预加重、13dB Rx均衡)的情况下,即可工作在124MHz的速率。总增益超过18.2dB (14dB预加重、4.2dB Rx均衡)时,ISI则开始增大,从而限制了工作频率。因此,选择14.1dB至18.2dB的总增益比较合理。由于Rx均衡器具有固定的低频增益,而Tx通过衰减低频实现预加重,我们建议选择Rx增益较大的部分。衰减低频意味着整个链路的信号电平较低,使得接收器工作更困难。因此,我们倾向于选择3.3dB预加重、13dB Rx增益。上述分析对于15m电缆上的数据传输同样适用。不同增益下的最大工作频率如表3所示。最小、最大增益设置分别为19.7dB (8dB预加重和11.7dB Rx均衡)和23.4dB (14dB预加重和9.4dB Rx均衡),所以8dB预加重和13dB Rx增益为最佳选择。
表2. 10m汽车STP电缆和连接器的测试示例
Rx 0000
2.1dB
0001
2.8dB
0010
3.4dB
0011
4.2dB
0100
5.2dB
0101
6.2dB
0110
7dB
0111
8.2dB
1000
9.4dB
1001
10.7dB
1010
11.7dB
1011
13dB
Tx
OFF 70 72 76 80 85 90 98 105 113 119 122 123
1.1dB 78 80 83 88 93 98 105 111 117 121 123 124
2.2dB 85 87 90 94 99 104 110 116 120 123 124 124
3.3dB 92 95 97 102 106 111 116 119 122 124 124 124
4.4dB 100 103 105 108 113 117 120 122 124 124 124 124
6.0dB 110 112 115 117 120 122 123 124 124 124 124 115
8.0dB 119 120 121 122 123 124 124 124 124 114 109 104
10.5dB 123 124 124 124 124 124 119 113 108 103 97 92
14.0dB 124 124 124 124 114 110 104 100 95 91 86 78
表3. 15m汽车STP电缆和连接器的测试示例
Rx 0000
2.1dB
0001
2.8dB
0010
3.4dB
0011
4.2dB
0100
5.2dB
0101
6.2dB
0110
7dB
0111
8.2dB
1000
9.4dB
1001
10.7dB
1010
11.7dB
1011
13dB
Tx
OFF 47 48 50 52 54 57 61 67 76 84 94 104
1.1dB 53 54 55 57 60 63 68 75 82 90 101 110
2.2dB 58 59 61 63 66 70 76 81 89 97 106 114
3.3dB 64 65 67 69 73 77 83 88 95 104 112 118
4.4dB 71 73 74 77 81 84 90 96 104 110 117 120
6.0dB 81 82 84 87 91 95 101 107 112 118 121 123
8.0dB 93 94 96 99 103 108 112 116 120 122 124 124
10.5dB 108 110 112 113 117 119 121 122 124 124 124 124
14.0dB 118 118 119 121 122 123 124 124 124 110 101 94
颜色代码
≥ 104MHz (3.125Gbps) 84MHz to 103MHz (2.5Gbps to 3.125Gbps)
66MHz to 83MHz (2.0Gbps to 2.5Gbps) < 66MHz (2.0Gbps)

链路有效信号检测

GMSL解串器带有信号检测器,当链路上没有有效信号时,可以禁止接收器工作。当信号电平经过长电缆传输或者在较高预加重电平的作用下变得非常低时,解串器可能检测不到有效的链路信号。因此,当传输电缆较长时(> 10m),建议禁止有效信号检测器,并搜索最佳预加重和均衡器设置。向解串器的第11字节写入“0x80”,禁用检测器工作。选择最佳值后,在相同字节写入“0x20”,则再次使能信号检测功能。根据实验室测量结果,电缆长度为15m、最大PCLK频率为104.16MHz时,有效信号检测器可以工作在高达8dB的预加重配置。有效信号检测器还具有下限选项,在第11字节写入“0x00”进行设置。根据我们的实验室测量结果,选择下限时,如果电缆长度为15m,有效信号检测器可以工作在高达14dB的预加重。如果电缆长度超出15m,预加重为14dB,建议禁止有效信号检测器。这些测量中,所使用的电缆为标准的汽车STP电缆。
下一步
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