利用眼图模板评估串行器和解串器(SerDes)的性能

引言

Maxim用于LVDS信号链路的串行器和解串器(SerDes)非常适合汽车和电信系统的视频显示、图像采集以及数据传输系统。当使用SerDes芯片组传输高速数据时，设计人员需要了解SerDes链路的性能，以便确定数据传输的可靠性裕量。通常情况下，这可以使用眼图或眼图模板对性能及其裕量进行评估；1, 2 但是根据实验数据确定眼图并没有一个明确的具有说服力的方法。

本文系统介绍了根据所测量的串行链路的眼图和误码率确定眼图模板的方法。为举例说明此过程，测试系统采用MAX9217和MAX9250 SerDes芯片组搭建了一个眼图和链路可靠性裕量测试系统。测试中使用不同长度的电缆并在不同温度(+25°C, +95°C和+105°C)下进行测试。

注：该测试对MAX9250的测试结果同样适用于MAX9248，MAX9248输出为扩展频谱并行输出，除此之外MAX9248与MAX9250具有相同的接收电路。

测试系统搭建

测试系统包括以下仪器设备：

• Agilent 86130A误码测试仪
• Agilent 83752A合成扫描仪
• Agilent 70820A微波瞬态分析仪
• Agilent 3325A函数发生器

通过MD Elektronik GmbH3生产的高质量屏蔽电缆(型号：PT1482)构建MAX9217串行器和MAX9250解串器之间的物理链路，该电缆连接评估板上发送器(MAX9217)侧和接收器(MAX9250)侧的两个Rosenberger4插座(型号：D4S20D-40ML5-Y，水蓝色)。Rosenberger网站的详细信息/链接参见本应用笔记最后的参考文献。

测试系统所需的仪器设备如图1所示。


图1. 眼图模板测试的实验配置

误码测试仪输出串行数字信号给MAX9250解串器，然后测试从MAX9217返回的串行数据的误码率。利用电缆将串行输出连接到误码分析仪，串行器输入连接到MAX9250。本测试中采用 MD Electronik和Rosenberger生产的电缆和连接器，所有器件均符合汽车应用的严格指标要求。

本测试采用了不同长度的PT1482电缆(测试结果参见表1至表3)。MAX9250的并行输出连接到MAX9217的并行输入，MAX9217的串行输出连接到误码分析仪的串行输入。这种配置下，可以利用误码分析仪测试SerDes链路的误码率。

合成扫描仪产生误码测试仪输出串行数据所需的时钟；微波瞬态分析仪控制函数发生器在输出时钟的正确时刻添加正弦调制。等效于在误码测试仪的串行输出上注入了抖动。正弦调制频率为5MHz，大概是MAX9250接收器PLL环路带宽的十倍。这一选择将正弦调制转换成解串器的相位抖动，而不是能被接收器PLL跟踪的低频漂移。

误码仪也可以对输出数据的差分幅度进行调整，图2a和图2b给出了误码仪数据输出的抖动和电压调整。


图2. 注入不同抖动和输出不同信号摆幅时的测试结果比较：图1a为较小信号摆幅和中等输入抖动；图2b为常规信号摆幅，注入更大的抖动

对抖动和差分电压摆动设置完成后，可以对链路的性能进行测试。并行数据的速率为33Mbps，串行转换后的速率为660Mbps；串行器输入端的总抖动等于注入的正弦抖动加上有限的链路带宽所产生的固定抖动。

眼图模板测试

作为性能指标的测量，SerDes链路眼图模板给出了解串器输入端眼图的垂直和水平尺寸限制。只要眼图开度大于模板，设计人员即可确信串行数据传输系统是可靠的。

然而，目前还没有一种能够被广泛接受的眼图测试方法；主要困难在于眼图的外形取决于很多因素：信号摆幅、电缆特性、抖动和温度。所面临的挑战是如何在给定的电缆和温度指标下产生合理的眼图模板，另外，消除信号幅度和抖动之间的相互关联也非常重要。

产生眼图模板时，首先需要观察解串器输出信号的眼图。当信号“摆幅”高于所观察的门限时，解串器的性能主要取决于抖动大小。实验中所进行的一系列测试基于5m长的电缆，串行数据速率是660Mbps，对于每个给定的信号幅度确定解串器能够允许的最大抖动。如果解串器在2分钟内没有出现误码，我们即可判断解串器能够容许所注入的抖动。从统计学意义上讲，2分钟内没有出现误码，意味着置信度高于99.9%，链路的误码率低于10-10。图3给出的是在+25°C和+95°C环境温度下，给定信号摆幅可以接受的最大抖动值。抖动单位是UI (单位间隔)，1 UI = 1/660MHz = 1.515ns。


图3. 两种温度下，给定信号摆幅下可接受的抖动值

从图3可以看出，+25°C下，当信号的摆幅超过100mVP-P时对性能影响不大；+95°C时可以得到类似结论，只是摆幅门限为200mVP-P。所以，对眼图模板取一个保守的信号摆幅门限：200mVP-P，改变注入的抖动量直到链路失效。按照这种方式产生适当的模板，当系统满足此模板要求时，可以保证链路信号的完整性。

测量给定链路的眼图模板

确定产生眼图模板的方法后，可以对不同长度电缆、不同温度下的链路进行眼图模板的测量。图1测量装置中，调整输出信号的 摆幅使解串器输入端的信号摆幅为200mVP-P，确认眼图模板在垂直方向的高度为200mVP-P (图3中的“x”值)。下一步是对链路注入不同的抖动，以确定眼图模板的水平长度(图3中的 “y”值)。水平长度的测量是取注入最大抖动时链路在两分钟内没有误码的情况。表1给出了不同实验条件下的眼图模板的水平长度，水平长度的单位是UI。

表1. 眼图模板的水平长度，单位为UI

Test Board No.	0m Cable	5m* Cable PT1482	10m* Cable PT1482
	+25°C	+25°C	+25°C
1	0.597	0.551	0.525
2	0.604	0.578	0.545
3	0.604	0.551	0.525
	+95°C	+95°C	+95°C
1	0.657	0.630	0.597
2	0.644	0.644	0.591
3	0.637	0.624	0.597
	+105°C	+105°C	+105°C
1	0.663	0.630	0.670
2	0.604	0.611	0.683
3	0.597	0.591	0.637

*注：5m电缆在2.5m处有一个连接器，10m电缆在2.5m、5m、8m处共放置了三个连接器。

图4给出了两种测试条件下的眼图。


图4. 200mVP-P眼图，最大抖动容限

注意大多示波器差分探头不能承受过高的箱体温度，所以本实验在室温下对测量系统注入相同的信号摆幅和抖动来测量眼图。通过实验观察，室温下的眼图和高温下的很类似：解串器的输入阻抗很高，输入端使用精密的外部电阻端接，构成100Ω的差分负载，以降低温度的影响。

从眼图模板获得链路可靠性裕量

链路可靠性裕量可以直接由眼图模板导出。图5测量解串器输入端的眼图的条件和表1使用的条件相同，即电缆长度和温度条件相同。


图5. 眼图测量装置

为保护探头不被高温损坏，把MAX9250解串器放在温箱外。表2给出了不同差分电缆长度和温度下的二维眼图。

表2. 测量链路眼图

Test Board No.	0m Cable		5m Cable PT1482		10m Cable PT1482
	Eye Open (Hor., UI)	Eye Open (Ver., mVP-P)	Eye Open (Hor., UI)	Eye Open (Ver., mVP-P)	Eye Open (Hor., UI)	Eye Open (Ver., mVP-P)
	+25°C	+25°C	+25°C	+25°C	+25°C	+25°C
1	0.894	480	0.815	374	0.670	226
2	0.881	464	0.815	372	0.716	236
3	0.894	504	0.809	368	0.696	228
	+95°C	+95°C	+95°C	+95°C	+95°C	+95°C
1			0.815	380	0.710	220
2			0.802	388	0.723	210
3			0.842	404	0.729	248
	+105°C	+105°C	+105°C	+105°C	+105°C	+105°C
1			0.795	376	0.696	204
2			0.782	380	0.716	206
3			0.822	400	0.716	230

通过对比表2和表1对应的眼图模板，可以得到各链路的可靠性裕量。如表3所示，垂直方向裕量用dB表示，水平方向用UI表示。

表3. 不同电缆长度和温度下的眼图裕量

Test Board No.	0m Cable		5m Cable PT1482		10m Cable PT1482
	Eye Margin (Hor., UI)	Eye Margin (Ver., dB)	Eye Margin (Hor., UI)	Eye Margin (Ver., dB)	Eye Margin (Hor., UI)	Eye Margin (Ver., dB)
	+25°C	+25°C	+25°C	+25°C	+25°C	+25°C
1	0.297	7.6	0.264	5.4	0.145	1.1
2	0.277	7.3	0.238	5.4	0.172	1.4
3	0.290	8.0	0.257	5.3	0.172	1.1
	+95°C	+95°C	+95°C	+95°C	+95°C	+95°C
1			0.185	5.6	0.112	0.8
2			0.158	5.8	0.132	0.4
3			0.218	6.1	0.132	1.9
	+105°C	+105°C	+105°C	+105°C	+105°C	+105°C
1			0.165	5.5	0.026	0.2
2			0.172	5.6	0.033	0.3
3			0.231	6.0	0.079	1.2

在眼图中嵌入眼图模板可以进行直观对比，如图6所示。


图6. 嵌入测试眼图的眼图模板

从表3可以得到如下结论：

1. 眼图模板受很多因素影响：如电缆类型、电缆长度、连接器类型、温度、数据速率以及芯片之间的差异。
   
   
2. 电缆长度为5m时，MAX9217/MAX9250 SerDes芯片组在660Mbps数据速率下可以在垂直和水平方向提供足够的可靠性裕量。
   
   
3. 电缆长度为10m时，MAX9217/MAX9250 SerDes芯片组在两个方向上的可靠性裕量不大。
   
   
4. 在测试1中，眼图模板垂直方向的高度估算较为保守(参考表1)。如果室温下信号的摆幅门限为100mVP-P，则可以得到更低开度的眼图模板和较大的垂直方向裕量。

结论

本文通过实验的方法产生SerDes芯片组的眼图模板。由于信号摆幅达到一定门限幅度时对链路性能影响不大，这一方法消除了信号摆幅对抖动容限的影响。测试系统采用该门限作为眼图模板的垂直开度，采用最大抖动容限作为模板的水平尺寸，所得到的眼图模板可以用于评估链路的可靠性裕量。