LVDS串行-解串器在电缆数据传输中的性能

2007-03-09 19:03:27来源: 互联网 关键字:串行  电缆  数据传输
利用串行-解串器能够大大减少短距离、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。采用电流模式、低电压差分信号(LVDS)的好处在于易端接、低传输功率和低电磁干扰(EMI)。但LVDS的主要标准TIA/EIA-644-A中只规定了信号电平等物理层参数,而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,在实际的高速应用中,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。 Maxim公司生产的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的串行点对点链路进行高速数据传输,MAX9205/MAX9206的串行“有效载荷”数据速率(含同步码)为160Mbps~400Mbps;MAX9207/MAX9208的速率为400Mbps~600Mbps。该两组芯片引脚兼容,但分别优化在不同的频率范围。下面介绍MAX9205/MAX9207 LVDS串行器和MAX9206/MAX9208解串器在不同数据速率、电缆长度下的实验室测试结果和误码率(BER)分析。同时将BER与不同长度的CAT-5E非屏蔽双绞线上的眼图抖动相关联。 1 BER测试 BER测试是衡量传输链路可靠性最直接、最准确的途径。数字通信链路所要求的误码率非常低,通常为千亿分之一(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,通常BER测试需要用数小时甚至几天的时间来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,如设置产生低BER的抖动电平等。实际上,BER测试通常用于验证数据表中抖动指标的最大值。图1所示是用LVDS串行器/解串器建立点对点链路的配置。 2 测试装置 当MAX9205或MAX9207 LVDS串行器发送LVDS信号后,串行器将在并行数据时钟(TCLK)的上升沿锁存10位并行数据,并在加入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16~40MHz;MAX9207的时钟范围为40~60MHz。加入2位同步码后,串行数据比特率为12倍 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倍TCLK。 图2 电缆测试装置表示将串行I/O转换成并行I/O的串行器/解串器 在图2所示的电缆测试装置中,2号评估板的串行器和解串器可将安捷伦(Agilent)公司的86130A BER测试仪的串行I/O转换成并行I/O,然后将并行数据送入或从1号电缆测试评估板读出。86130A输出的串行数据序列码长为1200位,其中1000位取自2m-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号评估板的解串器可移出同步码并输出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,而安捷伦公司的81250则主要用于提供所需要的参考时钟(TCLK用于串行器、REF-CLK用于解串器)。 通过分别测试电缆长度为5英尺、15英尺、30英尺、60英尺和100英尺(采用General Cable公司的5E类以太网AWG24非屏蔽双绞线,型号为2133629H)时的BER,并采用Tektroni%26;#215;TDS784C示波器和Tektroni%26;#215;P6247 1.0GHz差分探测器测试解串器输入端的眼图抖动特性,同时调节81250提供的TCLK串行器参考时钟的延迟时间,可使其符合表中列出的串行器输入建立时间和保持时间的要求。 3 测试结果 测试时可分别采用MAX9205/MAX9206和MAX9207/MAX9208串行-解串器对,8631A为 MAX9205/MAX9206提供的串行比特率为192~480Mbps,为MAX9207/MAX9208提供的比特率为480~720Mbps。为了量化眼图信号的完整性,可以定义两个参数:总计抖动(tTJ)和临界抖动(tMJ)。其中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峰值差分电压所对应的抖动中点之间的时间间隔(参见图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,比较保守的方法是用额外的差分电压提供过驱动。实际上,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就应达到300mVp-p。由此可见,用tMJ检测信号的完整性更加可靠。在图3中将tUI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。 由于差分峰值电压(Vp-p)是测试点单端电压之差的两倍,因此,在测试点,如果VOUT+为1.35V、VOUT_为1.10V(相对于地电位,高电平)或VOUT+为1.10V、VOUT为1.35V(相对于地电位,低电平状态),则Vp-p为500mV。由于采用差分探测器进行测试,它取VOUT+与VOUT_的差值,眼图中表现为Vp-p。 表1列出了MAX9206/MAX9208解串器数据表中规定的最大tMJ,如果tMJ低于或等于表中列出的最大值,解串器即能确保数据的恢复。测试过程可在两种条件下进行,第一是使串行测试模板按照串行-解串器对所允许的最高速率在不同电缆长度下运行1小时,然后测试tTJ、tMJ和误码数;第二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%26;#215;1013位),然后测试tTJ、tMJ和误码数。 表2、表3分别给出了MAX9205/MAX920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。表中的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)%26;#215;比特率)。 表1 MAX9206/MAX9208最大临界抖动 比特率(Mbps) 数据速率(Mbps) 最大临界抖动tMJ(ps) 192 160 1300 480 400 720 720 600 320 表2 MAX9205/MAX9206的tTJ、tMJ、Vp-p和误码率(测量时间1小时) 电缆长度(英尺) 比特率(Mbps) 数据速率(Mbps) 总计抖动tTJ(ps)* 临界抖动 tMJ(ps)* 差分电压 Vp-p(mV)* 误码数 (1.728%26;#215;10 12位) 5 480 400 200 220 880 无误码 15 480 400 200 260 780 无误码 30 480 400 220 320 636 无误码 60 480 400 360 560 420 无误码 *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) 电缆长度 (英尺) 比特率(Mbps) 数据速率(Mbps) 总计抖动 tTJ(ps)* 临界抖动 tMJ(ps)* 差分电压 Vp-p(mV)* 误码数 (1.728%26;#215;10 12位) 5 720 600 180 200 8520 无误码 15 720 600 180 230 660 无误码 30 720 600 220 270 556 无误码 60 720 600 320 Vp-p<300mV 292 无误码 *tTJ、tMJ测量分辨率为10ps,Vp-p测量分辨率为2mV 表4 MAX9205/MAX9206和MAX9207/MAX9208的tTJ、tMJ、Vp-p和误码率 电缆长度 (英尺) 比特率(Mbps) 数据速率(Mbps) 总计抖动 tTJ(ps)* 临界抖动 tMJ(ps)* 差分电压 Vp-p(mV)* 条 件 MAX9205/MAX9206 100 480 400 660 - 192 发送码长:1.73%26;#215;10 13; 误码:0;测试时间:>10小时 MAX9207/MAX9208 100 520 433 1020 - 110 发送码长:1.87%26;#215;10 13; 误码:0;测试时间:>10小时 *tTJ、tMJ测量分辨率为20ps,Vp-p测量分辨率为2mV 为了描述解串器在信号退化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),MAX-IM公司在100英尺电缆下对两组串行/解串器进行了测试,并将该测试数据连续发送10小时以上,表4给出了抖动测试结果、电压峰值和误码数。 测试发现: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为1020ps抖动占1923ps单位间隔(tUI=1/520Mbps)的一半以上。可见,在此条件下得到的无误码测试结果为数据表1中的指标提供了一定的测试裕量。 另外,根据测试结果也可预测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。如果设BER为q,而串行数据序列可看作参数为q的Bernoulli试验模型,则发送比特数n时的n位序列无误码概率公式如下: Pnoerror=(1-q)n 这样,若采用100英尺电缆来无误码发送超过1.73%26;#215;1013位的数据,则在BER的q值低于3.0 %26;#215;10-13时,由上式计算出的Pnoerror为0.0056。由此可知,当BER为3.0%26;#215;10-13 或更高时,对于一个1.73%26;#215;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%26;#215;1013 位的序列,则BER<3.0%26;#215;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,还可获得更高的链路可靠性。 4 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%26;#215; 10-13 时的可信度仍然高于99%。同时测试结果还表明:数据表中给出的最大抖动限制是比较保守的估计,它足以保证链路的高可靠性。

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