Maxim GMSL SerDes器件中的预加重和均衡简介

发送预加重和接收均衡允许串行器/解串器（SerDes）器件在廉价电缆或长距离上运行。本应用笔记描述了信号如何通过电缆降级以及如何补偿这种降级。此外，本文档还介绍了在使用有损电缆时如何与Maxim千兆多媒体串行链路（GMSL）产品实现可靠的链路。本文还概述了线路均衡。

视频应用的最新进展以及数据流量的指数级增长提高了对更高数据速率的需求。因此，低成本双绞线（TP）电缆引起了人们的特别关注。然而，这些TP电缆长时间运行的频率相关衰减是其最佳使用的主要限制因素。这种频率相关的衰减会在接收信号中造成明显的码间干扰（ISI），这反过来又给时钟和数据恢复带来了困难，并导致更高的误码率（BER）。图1显示了在信号到达接收器之前被电缆降级的传输信号的表示形式。通过显著降低ISI并恢复严重降级的数据，发射器和接收器可以采用某种形式的线路均衡来实现可靠操作。

图1.接收器端的 ISI。

Maxim GMSL器件的高速3.125Gbps收发器允许系统设计人员动态编程特定电缆的均衡电平，从而提供可靠的链路。发射器和接收器都具有均衡调整功能，可以单独或一起编程以延长传输距离。这种灵活的均衡调整允许使用各种低成本有损电缆。

本应用笔记解释了如何设计与Maxim GMSL产品和有损电缆的鲁棒链路。它还概述了线路均衡。

GMSL 发射器预加重和接收器均衡

GMSL链路采用发射器预加重和接收器均衡来补偿传输损耗。

变送器预加重

当接收器端未施加均衡时，高频“0”脉冲在连续“1”后可能无法达到信号摆幅的中间电平，如图2所示。该图说明了如何通过强调转换和不强调“无转换”来克服频率相关衰减。

图2.时域预加重滤波。

由于导体和介电损耗，电缆具有低通传递函数，如图3所示。通过利用均衡（高通传递曲线），可以在所需频率范围的带宽内获得平坦（均匀衰减）的系统频率响应。

图3.频域预加重滤波。

有效使用这种均衡技术将影响三个主要系统设计参数：

电缆长度

电缆类型

最大系统数据速率

例如，10m 电缆末端的完全闭合眼图可以通过 6dB 预加重合理打开（图 4）。

更详细的图像 （PDF， 1.3MB）

图4.10m 电缆后 3.125Gbps 数据：（a） 无与 （b） 6dB 预加重。

如MAX9259数据资料所述，预加重电平由寄存器地址0x05 D[3：0]设置。用户可以根据表1对预加重电平进行编程。负预加重电平对应于不强调高频项，但仅取消强调低频项的情况。同样重要的是要注意，过度升压会导致时序抖动略有增加。

 

0x05 D[3：0]	预加重电平（分贝）
1000	1.1
1001	2.2
1010	3.3
1011	4.4
1100	6.0
1101	8.0
1110	10.5
1111	14.0
	去加重电平（分贝）
0000	未使用
0001	-1.2
0010	-2.5
0011	-4.1
0100	-6.0
0111	未使用

 

在以下章节中，将讨论如何使用发射器和接收器均衡器，以及表格测试数据。

接收器均衡

接收器均衡背后的基本思想如图5所示。有损链路通过近似的一阶传递函数衰减前向信道数据，该函数的带宽远低于数据频率（数据频率，fb，等于比特率的一半）。由于符号间干扰，这会导致确定性抖动。此外，对于长电缆，这种有损电缆末端的眼图可以完全关闭。为了补偿这种损失，首先通过传递函数处理数据，理想情况下，传递函数是电缆传递函数的倒数。因此，当链路和均衡器级联时，可以获得足够的带宽。在GMSL解串器中实现了12级可编程增益方法，以防止不同电缆长度的升压不足或过度升压。增益可以设置为12个不同的升压级别，范围从2dB到13dB。

图5.通过在接收器内应用通道传递函数的倒数来均衡数据。

不同升压设置下的接收器传递函数（交流特性）如图6所示。10m STP 电缆的通道加接收器传递函数如图 7 所示。此图中叠加了不同的提升级别。当升压字为8 （9.4dB）时，整体传递函数在目标频率范围内变得最大平坦。10m STP 电缆的接收器输入和输出眼图如图 8 所示。注意均衡器增益提升如何打开完全闭合的眼睛。

如果整体传递函数不平坦，会发生什么情况？就ISI抖动而言，过度升压比欠升压危害小。如图9所示，当升压电平降至最佳值以下时，输出抖动会迅速增加。相反，当升压电平增加到最佳点以上时，抖动会缓慢增加。

图6.均衡器交流特性和不同调谐字的增益提升。

图7.电缆和均衡器的交流响应（级联）适用于 10m STP 电缆的不同升压级别。

图8.升压最佳时 10m 电缆的接收器输入和输出眼图。

图9.10m 电缆的峰峰值 ISI 抖动与提升增益的关系。

选择最佳预加重和均衡器设置

也许您不想用频谱分析仪测量电缆损耗。在这种情况下，选择最佳预加重/均衡器设置的最简单方法是查看系统在极限频率下的误码率。这里将提供两个真实案例作为示例。

在表2中，我们总结了SerDes对（如MAX9259/MAX9260或MAX9249/MAX9268）使用10米电缆工作的最大像素时钟频率。每列显示不同的 Rx 均衡器升压增益，而每行对应于不同的 Tx 预加重值。当传输介质正确均衡时，被测SerDes对的工作频率高达124MHz。它达到124MHz，最小总升压为14.1dB（1.1dB预加重和13dB Rx均衡）。在总升压超过18.2dB（14dB预加重和4.2dB Rx均衡）后，ISI再次开始增加，这限制了工作频率。因此，明智的做法是选择14.1dB和18.2dB之间的总升压值。我们通常建议从Rx部分选择大部分升压，因为Rx均衡器具有恒定的低频增益，而Tx衰减低频以实现预加重。衰减低频意味着链路上的信号电平较低，这使得接收器的生活更加困难。因此，3.3dB预加重和13dB Rx升压将是一个不错的选择。同样的程序也可以应用于15米的电缆。表3总结了不同升压电平下的最大频率。最小和最大升压电平分别为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），因此8dB预加重和13dB Rx升压是最佳选择。

更详细的图像 （PDF， 54KB）

链路活动检测器

GMSL解串器具有信号检测器电路，当链路上没有信号时，该电路将禁用接收器。当由于长电缆或高预加重电平而导致信号电平非常低时，解串器可能无法检测到链路上的活动。因此，强烈建议禁用活动检测器，同时搜索长电缆（> 10m）的最佳预加重和均衡器设置。可以通过将“0x80”写入解串器的字节 11 来禁用检测器。选择最佳值后，可以通过将“0x20”写入同一字节来再次启用它。根据我们的实验室测量，活动检测器在最大PCLK频率104.16MHz下对15m电缆进行高达8dB的预加重工作。活动检测器还有一个低阈值选项。它可以通过将“0x00”写入字节 11 来编程。根据实验室测量，当选择低阈值时，活动检测器对 15m 电缆的预加重工作高达 14dB。如果电缆长度超过15m且预加重为14dB，建议禁用活动检测器。这些测量中使用的电缆是标准的汽车STP电缆。

审核编辑：郭婷