摘要:高速串行化数据连接已广泛用于网络、服务器和3G基站中的视频显示、数码相机和背板数据传输。Maxim为串行收发链路开发了各种产品,本应用笔记讨论了典型的串行器和解串器(SerDes)芯片组(MAX9247和MAX9218)在不同的电缆类型、电缆长度和数据速率下的性能。所得结论可以作为高速串行数据互连的应用指南。
概述
Maxim的高速串行器、解串器(SerDes)产品已经应用于汽车、网络、服务器和3G基站中的视频、图像和数据传输。MAX9247串行器与MAX9218解串器构成一对儿典型的具有嵌入式时钟的单通道LVDS链路。该链路的最高串行数据速率可达800Mbps。
本应用笔记讨论了该数据收发链路在不同电缆类型、电缆长度和数据速率情况下的的性能以及采用Maxim专有的预加重技术和线路均衡技术所带来的性能改善。同时为了满足汽车应用中恶劣环境的要求,该串行器/解串器(SerDes)芯片组在-40°到+105°C温度范围内进行了测试。
测试装置
测试装置包括一台Agilent ParBERT 81250测试仪,TDS784C 1GHz数字示波器,TEK P6247差分探针和MAX9217/MAX9218评估板,Agilent 81250是并行误码率测试仪(BERT)。这些器件的连接方式如下图所示(图1)。
![MAX9247](https://www.elecfans.com/article/UploadPic/2009-5/20095111945690.gif)
图1. MAX9247和MAX9218的性能测试装置
MAX9247有27位并行数据输入,其中18位是RGB视频数据输入,9位是控制输入。LVDS串行链路的数据速率为并行数据速率的20倍,包括2个附加位。Agilent 81250的前9个输出通道连接至前9个RGB输入端(RGB_IN0到RGB_IN8)。前9个通道的反向输出连接到剩余的9个RGB输入端(RGB_IN9到RGB_IN17),误码率测试仪(BERT)只检测RGB数据。ParBERT的每一个输出通道的数据序列是独立产生的、在21492长度内无重复的伪随机序列比特流,RGB数据序列的长度是1370位。在1370位之后加一个20位的时间间隔作为控制周期。所有的控制位(CNTL_IN0到CNTL_IN8)通常被设置为0。图2所示为数据结构。这个1390位的并行数据格式在测试中重复出现,信号DE_IN交替改变RGB数据周期和控制周期。
![MAX9247](https://www.elecfans.com/article/UploadPic/2009-5/20095111945557.gif)
图2. 测试数据的序列结构
测试条件和测量结果
我们测试了3对儿双绞电缆,如下表所示。
表1. 测试的电缆类型
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 |
为了测试串行器/解串器(SerDes)芯片组的性能和电缆长度与数据速率的关系,我们观察了不同电缆长度的误码率(BER),并记录了10分钟之内无误码时的最高并行数据速率。数据速率的增量是1Mbps。我们用这种方法测量性能主要基于LVDS SerDes收发器的两方面考虑:第一,如果10分钟内没有误码的话,那就很有可能在几个小时内也不会出现误码;第二,即使在速率非常低的情况下也能在十分钟内观察到误码的话,那么微小的数据速率增量(<0.5Mbps)也将造成解串器上的DE_OUT信号失锁。因此,我们的方法是考虑了测试时间和测试可靠性的一个合理的折衷方案。所以,我们可以假设,在某一特定数据速率下,若十分钟内没有误码发生,那么链路的误码率(BER)小于10-10或10-11。根据统计,我们可以用式1计算这个假设的置信度:
![MAX9247](https://www.elecfans.com/article/UploadPic/2009-5/20095111945188.gif)
其中,N是在观察周期内(例如10分钟)通过串行链路传输的比特数,p是假设的误码率(BER)。表2所示是对不同数据速率的置信度。
表2. 10分钟内观察到的置信度和数据速率的关系
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% |
测试结果
表3所示是在不同的电缆类型、电缆长度和数据速率,以及预加重功能和LVDS均衡器使能或禁止情况下得到的性能。预加重功能集成在MAX9247内,将评估板上跳线JP15设置为高电平即可将其使能。专有的LVDS均衡器放置在MAX9247的LVDS输出端,如图1所示。欲知均衡器的实现细节,请联系Maxim的应用技术支持。表3中的所有数据都是在室温下测试得到的。30m NISSEI AWG26电缆在扩展级温度范围内的测试结果如表4所示。
表3. 在不同条件下测试所得的SerDes收发器的可靠数据速率
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. 在扩展级温度范围内测得的SerDes收发器的可靠数据速率(*)
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:在这个测试中,预加重功能和LVDS均衡器都为使能状态。
下面的眼图是在解串器的LVDS输入端口记录下来的。这些图形显示了解串器对失真符号的数据恢复能力。我们同样可以在眼图中看出LVDS链路均衡器对信号的显著改善。
![MAX9247](https://www.elecfans.com/article/UploadPic/2009-5/20095111945319.gif)
图3. NISSEI AWG26电缆,20m长,速率为702Mbps,启用预加重功能和均衡器
![MAX9247](https://www.elecfans.com/article/UploadPic/2009-5/20095111946734.gif)
图4. NISSEI AWG26电缆,30m长,速率为630Mbps,启用预加重功能和均衡器
![MAX9247](https://www.elecfans.com/article/UploadPic/2009-5/20095111946235.gif)
图5. NISSEI AWG26电缆,30m长,速率为306Mbps,启用预加重功能
![MAX9247](https://www.elecfans.com/article/UploadPic/2009-5/20095111946251.gif)
图6. NISSEI AWG26电缆,30m长,速率为306Mbps,启用预加重功能和均衡器
总结
由表3和表4所示结果,我们可以得出以下结论:
- 虽然CAT5E非屏蔽电缆的性能比其它两种类型的电缆好,但是它在应用中会有电磁干扰(EMI)的问题。
- 预加重和LVDS均衡有助于改善链路性能。预加重可为短程电缆提供更大的幅度提升,而均衡器对长电缆的改善更有效。对于30m的电缆,均衡器可以使其数据传输速率翻倍。
- 在扩展级温度范围内的性能差异相对很小。
- 电缆的线规会制约性能。推荐使用优于AWG28的电缆。
参考文献
- Maxim的高速互连设计指南
- MAX9247数据资料
- MAX9218数据资料