LVDS串行-解串器在电缆数据传输中的性能

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。