LVDS串行器的信号完整性与传输速率和电缆长度的关系

本应用笔记研究了串行数据链路的信号完整性与电缆长度的关系。使用MAX9207/MAX9208 LVDS串行器/解串器对使用各种长度的电缆进行抖动测量。结果以抖动和最大数据速率与电缆长度的关系表列出。

介绍

MAX9205/9207串行器和MAX9206/9208解串器设计用于通过点对点互连传输高速数据。MAX400-MAX600的串行“有效载荷”数据速率为9207Mbps至9208Mbps，MAX160-MAX400的串行“有效载荷”数据速率为9205Mbps至9206Mbps。两对具有相同的配置，仅在工作频率上有所不同。在本应用笔记中，我们将重点介绍数据速率更高的MAX9207串行器。

串行器和解串器可用于需要快速数据互连的应用，例如电信/网络背板数据交换、3G 手机基站互连和视频显示面板接口。LVDS互连的优点是配置简单、传输功率低、电缆成本低、数据速率高、工作距离长、EMI低。LVDS标准（ANSI TIA/EIA-644和IEEE 1596.3）规定了信号电平、波形和时序，但没有规定电缆类型、数据速率、总线结构和链路距离。它们为用户提供了将LVDS信令应用于各种应用的灵活性，但需要熟悉LVDS在数据速率、误码率（BER）、电缆长度和电缆类型方面的特性。本应用笔记介绍了不同数据速率和电缆长度下LVDS信号质量的实验室测试结果和分析。预计本说明将为系统设计人员的应用提供一些指导。

通过测量LVDS眼图在不同日期速率和电缆长度下的抖动和幅度来量化信号质量。使用眼图是因为与BER测试相比，它需要简单的设备并且易于进行。BER测试需要很长的测试时间。例如，用于验证错误率为 10 的 BER 测试-12至少需要 10 个14位。在 400Mbps 时，发送和接收 3 需要将近 10 天的时间14位。验证 BER 为 10-13需要一个月的时间。眼图的抖动与信号质量直接相关，从中我们可以预测数据链路的可靠性。

测量设置

在传导测试中，LVDS信号从MAX9207 LVDS串行器发送。MAX9207锁存10位并行输入数据，增加两个开销同步位，并通过单路LVDS输出发送串行数据流。并行数据时钟（TCLK）可高达60MHz。包括两个同步位后，串行速率（表中称为“链路数据速率”）为12 x TCLK。“有效载荷”数据速率（并行数据的传输速率）为 10 x TCLK。MAX9207的功能模块如图1所示。

图1.MAX9207的功能框图

测试设置如图 2 所示。10 位并行数据由索尼/泰克 DG2020A 数字信号发生器生成。重复的512随机位序列输出到MAX9207并行输入的每个位。每个随机序列由具有随机选择系数的 32 位移位寄存器生成。每个输出都有一组不同的系数。电缆是非屏蔽以太网 5 类，AWG 24，双绞线。我们测试了各种电缆长度：5英尺、15英尺、30英尺和60英尺。电缆的一端通过MAX9207评估板上的两个通孔（1A和1B）连接到MAX9207输出。电缆的另一端由一个100Ω电阻端接。眼图是在泰克 TDS784C 示波器上使用泰克 P6247 1.0GHz 差分探头测量的。示波器与MAX9207并行速率时钟同步。

图2.眼图测量设置。

测试结果

进行四组测试。在每个组中，选择不同的电缆长度，链路数据速率从480Mbps到720Mbps不等。该链路数据速率包括两个同步位，使得来自10位并行输入的“有效载荷”数据速率为400Mbps至600Mbps。总抖动 t泰杰在零差分电压和数量 t 的线上测量用户界面是位符号的持续时间（参见图 3）。除了测量 t泰杰，我们还测量了另一个称为边际抖动 t 的抖动美杰与LVDS信号的差分电压有关（见图3）。如图3所示，抖动t美杰从眼图的过零中心到峰峰值差分电压等于300mV的点进行测量。随着边际抖动t美杰，我们可以测量解串器MAX9208可以可靠恢复的数据速率裕量。差分峰峰值电压定义为VP-P.在P-P是测量点单端电压差值的两倍，或VP-P= 2 × |（在输出+） - （V外-)|.例如，在测量点，如果 V输出+= 1.35V 和 V外-= 1.10V 相对于高电平状态下的地和 V输出+= 1.10V 和 V外-= 1.35V 相对于低电平时的地，则 VP-P= 500mV。由于测量是用差分探头（减去V外-从 V输出+） 眼图显示 VP-P.直观地说，t用户界面， U泰杰是眼图宽度和V的量度P-P是振幅。

图3.零差分电压线处的抖动测量。

表1记录了电缆长度从5英尺到60英尺的四组测试的测量结果。在表中，链路数据速率是LVDS链路上的实际速率。

 

	链路数据速率 （Mbps）	符号持续时间 tUI (ps)	总抖动 tTJ (ps)*	边际抖动 tMJ (ps)*	差分电压 VP-P （毫伏）*
5英尺	480	2083	100	130	936
	540	1852	100	150	920
	600	1667	100	160	912
	660	1515	110	160	904
	720	1389	110	160	895
15英尺	480	2083	130	200	808
	540	1852	130	200	788
	600	1667	130	210	768
	660	1515	140	210	736
	720	1389	140	220	704
30英尺	480	2083	230	320	564
	540	1852	230	360	556
	600	1667	230	360	530
	660	1515	240	370	492
	720	1389	240	380	450
60英尺	480	2083	300	540	436
	540	1852	300	560	412
	600	1667	320	580	384
	660	1515	340	600	348
	720	1389	360	640	338
*测量分辨率为 t泰杰和 VP-P分别为 10ps 和 2mV。

 

在图4、5和图6中，我们绘制了抖动和差分电压与链路数据速率的关系图。

图4.总抖动tTJ 与链路数据速率的关系。

图5.边际抖动 tMJ 与链路数据速率的关系。

图6.差分电压 VP-P与链路数据速率的关系。

从测量中，我们可以观察到一些事实。从 5 英尺到 30 英尺，吨泰杰和 t美杰相对于链路数据速率缓慢增加。当电缆长度增加到 60 英尺时，抖动会随着链路数据速率的增加而迅速增加。对于抖动与电缆长度，两者都在 15 英尺以下缓慢增加，然后在 30 英尺和 60 英尺时更快。对于差分电压与链路数据速率，VP-P在链路数据速率方面几乎呈线性变化。随着电缆长度从 15 英尺增加到 30 英尺，有一个很大的增量。总体而言，它表明MAX9207提供的LVDS信号在低成本CAT-5非屏蔽双绞线上可以具有较长的距离。

MAX9208解串器设计用于接收MAX9207发送的串行数据。根据MAX9208的数据资料，它可以可靠地恢复数据，边际抖动美杰在 720Mbps 时小于 480ps，在 320Mbps 时小于 720ps。通过线性插值，我们得到480Mbps和720Mbps之间速率的边际抖动上限（见表2）。这些上限为我们提供了确定各种电缆长度的可靠传输速率的标准。为了提供保守的结果，我们将抖动上限收紧了 10%。表3给出了MAX9207可以传输的数据速率，MAX9208在不同电缆长度下可以可靠地恢复抖动上限。图 7 以对数刻度绘制了这些结果。

 

链路数据速率 （Mbps）	符号持续时间 tUI (ps)	边际抖动上限 tMJ (ps)	10%边际抖动 tMJ (ps)
480	2083	720	648
540	1852	620	558
600	1667	520	468
660	1515	420	378
720	1389	320	288

电缆长度	链路数据速率 （Mbps）	测量边际抖动 t美杰（附言）	10% 边际抖动 上限收紧美杰（附言）
5英尺	720	160	288
15英尺	720	220	288
30英尺	660	360	378
60英尺	528	570	576

 

图7.不同电缆长度的可靠链路数据速率。

上述结果表明，对于5英尺和15英尺电缆，数据速率受MAX720串行器的最高工作数据速率（9207Mbps）的限制。当电缆长度超过30ft时，数据速率会随着长度的增加而降低。通过这些测量，表明MAX9207/9208串行器/解串器对可以用一对CAT-5电缆建立可靠的点对点高速数据链路，适用于各种应用。图7为用户提供了选择电缆长度的简单设计指导。为了显示数字示波器测量的一些信号，图8显示了在表3条件下测量的眼图。

 

60ft, 528Mbps, tMJ = 560ps	30ft, 660Mbps, tMJ = 360ps

15ft, 720Mbps, tMJ = 220ps	5ft, 720Mbps, tMJ = 160ps

 

图8.不同电缆长度的眼图。

由于在某些应用中，最好通过在LVDS输出引脚上插入两个电容器，在串行器和解串器之间使用交流耦合。为了演示交流耦合的效果，我们在每个串行器输出中插入了一个0.012μF陶瓷片式电容器。图 9 显示了 15 英尺电缆在 720Mbps 数据速率下进行直流和交流耦合的眼图。比较两种情况的眼图，我们看到交流耦合降低了差分电压并略微增加了抖动。我们可以忽略交流耦合对信号完整性的影响，只要信号具有良好的零直流平衡。

 

15英尺，720Mbps，直流耦合，tMJ = 220ps	15英尺，720Mbps，交流耦合，tMJ = 240ps

 

图9.使用 15 英尺电缆的直流和交流耦合眼图。

结论

眼图可以很好地衡量LVDS信号质量。眼图的抖动和幅度由串行器和电缆特性决定。根据解串器的特性，MAX9208的边际抖动t美杰可以直接确定可以通过链路可靠传输和恢复的数据速率。本报告提供了MAX9207 LVDS串行器在CAT-5电缆上的典型性能。测量结果可作为系统互连的设计指南。对于电缆不是CAT-5的应用，可以使用本报告的方法，但不能使用测量数据。需要注意的是，电缆的高频传输线特性是决定信号质量的关键因素之一。

审核编辑：郭婷