LVDS串行-解串器在電纜數(shù)據(jù)傳輸中的性能

利用串行－解串器能夠大大減少短距離、寬帶數(shù)據(jù)通信中的連線。類似的應(yīng)用有電信和網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的背板互連、３Ｇ蜂窩電話基站中機(jī)架內(nèi)部的互連、數(shù)字視頻接口等。采用電流模式、低電壓差分信號（ＬＶＤＳ）的好處在于易端接、低傳輸功率和低電磁干擾（ＥＭＩ）。但ＬＶＤＳ的主要標(biāo)準(zhǔn)ＴＩＡ／ＥＩＡ－６４４－Ａ中只規(guī)定了信號電平等物理層參數(shù)，而沒有給出諸如數(shù)據(jù)速率與電纜長度對應(yīng)關(guān)系的互連特性。ＬＶＤＳ標(biāo)準(zhǔn)提供給用戶的僅僅是ＬＶＤＳ信號的基本兼容規(guī)范，在實(shí)際的高速應(yīng)用中，用戶還必須了解在規(guī)定的電纜和傳輸距離條件下所能達(dá)到的性能。

Ｍａｘｉｍ公司生產(chǎn)的ＭＡＸ９２０５／ＭＡＸ９２０７ ＬＶＤＳ串行器和ＭＡＸ９２０６／ＭＡＸ９２０８ ＬＶＤＳ解串器能夠通過差分特性阻抗為１００Ω的串行點(diǎn)對點(diǎn)鏈路進(jìn)行高速數(shù)據(jù)傳輸，ＭＡＸ９２０５／ＭＡＸ９２０６的串行“有效載荷”數(shù)據(jù)速率（含同步碼）為１６０Ｍｂｐｓ～４００Ｍｂｐｓ；ＭＡＸ９２０７／ＭＡＸ９２０８的速率為４００Ｍｂｐｓ～６００Ｍｂｐｓ。該兩組芯片引腳兼容，但分別優(yōu)化在不同的頻率范圍。下面介紹ＭＡＸ９２０５／ＭＡＸ９２０７ ＬＶＤＳ串行器和ＭＡＸ９２０６／ＭＡＸ９２０８解串器在不同數(shù)據(jù)速率、電纜長度下的實(shí)驗(yàn)室測試結(jié)果和誤碼率（ＢＥＲ）分析。同時(shí)將ＢＥＲ與不同長度的ＣＡＴ－５Ｅ非屏蔽雙絞線上的眼圖抖動(dòng)相關(guān)聯(lián)。

１?。拢牛覝y試

ＢＥＲ測試是衡量傳輸鏈路可靠性最直接、最準(zhǔn)確的途徑。數(shù)字通信鏈路所要求的誤碼率非常低，通常為千億分之一（１０－１２）或更低。

進(jìn)行ＢＥＲ測試需要高品質(zhì)的信號發(fā)生器和特定的測試設(shè)備，通常ＢＥＲ測試需要用數(shù)小時(shí)甚至幾天的時(shí)間來傳輸大量的數(shù)據(jù)以達(dá)到１０－１２或更低ＢＥＲ的測試要求，這取決于數(shù)據(jù)的傳輸速率?？紤]到ＢＥＲ測試比較耗時(shí)，通常用一些快速測量方式預(yù)測傳輸鏈路的可靠性，如設(shè)置產(chǎn)生低ＢＥＲ的抖動(dòng)電平等。實(shí)際上，ＢＥＲ測試通常用于驗(yàn)證數(shù)據(jù)表中抖動(dòng)指標(biāo)的最大值。圖１所示是用ＬＶＤＳ串行器／解串器建立點(diǎn)對點(diǎn)鏈路的配置。

２　測試裝置

當(dāng)ＭＡＸ９２０５或ＭＡＸ９２０７ ＬＶＤＳ串行器發(fā)送ＬＶＤＳ信號后，串行器將在并行數(shù)據(jù)時(shí)鐘（ＴＣＬＫ）的上升沿鎖存１０位并行數(shù)據(jù)，并在加入２位同步碼后通過單路ＬＶＤＳ輸出端口發(fā)送串行數(shù)據(jù)。ＭＡＸ９２０５的并行數(shù)據(jù)時(shí)鐘范圍為１６～４０ＭＨｚ；ＭＡＸ９２０７的時(shí)鐘范圍為４０～６０ＭＨｚ。加入２位同步碼后，串行數(shù)據(jù)比特率為１２倍 ＴＣＬＫ?！坝行лd荷”串行數(shù)據(jù)速率（串行比特率減去２位同步碼）為１０倍ＴＣＬＫ。

圖2 電纜測試裝置表示將串行I/O轉(zhuǎn)換成并行I/O的串行器/解串器

    在圖２所示的電纜測試裝置中，２號評估板的串行器和解串器可將安捷倫（Ａｇｉｌｅｎｔ）公司的８６１３０Ａ ＢＥＲ測試儀的串行Ｉ／Ｏ轉(zhuǎn)換成并行Ｉ／Ｏ，然后將并行數(shù)據(jù)送入或從１號電纜測試評估板讀出。８６１３０Ａ輸出的串行數(shù)據(jù)序列碼長為１２００位，其中１０００位取自２ｍ－１偽隨機(jī)二進(jìn)制序列（ＰＲＢＳ），每１０位ＰＲＢＳ碼插入０１同步碼仿真串行器的添加位。２號評估板的解串器可移出同步碼并輸出ＰＲＢＳ并行數(shù)據(jù)至１號評估板的電纜測試串行器。串行數(shù)據(jù)序列被連續(xù)重復(fù)發(fā)送，而安捷倫公司的８１２５０則主要用于提供所需要的參考時(shí)鐘（ＴＣＬＫ用于串行器、ＲＥＦ-ＣＬＫ用于解串器）。

通過分別測試電纜長度為５英尺、１５英尺、３０英尺、６０英尺和１００英尺（采用Ｇｅｎｅｒａｌ Ｃａｂｌｅ公司的５Ｅ類以太網(wǎng)ＡＷＧ２４非屏蔽雙絞線，型號為２１３３６２９Ｈ）時(shí)的ＢＥＲ，并采用Ｔｅｋｔｒｏｎｉ×ＴＤＳ７８４Ｃ示波器和Ｔｅｋｔｒｏｎｉ×Ｐ６２４７ １．０ＧＨｚ差分探測器測試解串器輸入端的眼圖抖動(dòng)特性，同時(shí)調(diào)節(jié)８１２５０提供的ＴＣＬＫ串行器參考時(shí)鐘的延遲時(shí)間，可使其符合表中列出的串行器輸入建立時(shí)間和保持時(shí)間的要求。

３　測試結(jié)果

測試時(shí)可分別采用ＭＡＸ９２０５／ＭＡＸ９２０６和ＭＡＸ９２０７／ＭＡＸ９２０８串行－解串器對，８６３１Ａ為 ＭＡＸ９２０５／ＭＡＸ９２０６提供的串行比特率為１９２～４８０Ｍｂｐｓ，為ＭＡＸ９２０７／ＭＡＸ９２０８提供的比特率為４８０～７２０Ｍｂｐｓ。為了量化眼圖信號的完整性，可以定義兩個(gè)參數(shù)：總計(jì)抖動(dòng)（ｔＴＪ）和臨界抖動(dòng)（ｔＭＪ）。其中ｔＴＪ是在差分電壓為０時(shí)測試的抖動(dòng)時(shí)間寬度（０差分電壓是示波器軌跡的橫軸），ｔＭＪ是零差分電壓處的抖動(dòng)中點(diǎn)與３００ｍＶ峰值差分電壓所對應(yīng)的抖動(dòng)中點(diǎn)之間的時(shí)間間隔（參見圖３）。人們可能期望解串器－差分輸入在差分電壓為０Ｖ點(diǎn)發(fā)生轉(zhuǎn)換，但是，比較保守的方法是用額外的差分電壓提供過驅(qū)動(dòng)。實(shí)際上，ｔＴＪ對應(yīng)的電平轉(zhuǎn)換發(fā)生在０Ｖ差分電壓，而ｔＭＪ則要求在轉(zhuǎn)換解串器輸入電平之前差分信號就應(yīng)達(dá)到３００ｍＶｐ－ｐ。由此可見，用ｔＭＪ檢測信號的完整性更加可靠。在圖３中將ｔＵＩ定義為一比特串行碼的持續(xù)時(shí)間（單位間隔），單位間隔是參考頻率周期除以１２。

    由于差分峰值電壓（Ｖｐ－ｐ）是測試點(diǎn)單端電壓之差的兩倍，因此，在測試點(diǎn)，如果ＶＯＵＴ＋為１．３５Ｖ、ＶＯＵＴ＿為１．１０Ｖ（相對于地電位，高電平）或ＶＯＵＴ＋為１．１０Ｖ、ＶＯＵＴ為１．３５Ｖ（相對于地電位，低電平狀態(tài)），則Ｖｐ－ｐ為５００ｍＶ。由于采用差分探測器進(jìn)行測試，它?。郑希眨裕cＶＯＵＴ＿的差值，眼圖中表現(xiàn)為Ｖｐ－ｐ。

表１列出了ＭＡＸ９２０６／ＭＡＸ９２０８解串器數(shù)據(jù)表中規(guī)定的最大ｔＭＪ，如果ｔＭＪ低于或等于表中列出的最大值，解串器即能確保數(shù)據(jù)的恢復(fù)。測試過程可在兩種條件下進(jìn)行，第一是使串行測試模板按照串行－解串器對所允許的最高速率在不同電纜長度下運(yùn)行１小時(shí)，然后測試ｔＴＪ、ｔＭＪ和誤碼數(shù)；第二是在最大抖動(dòng)條件下（大于數(shù)據(jù)表中ｔＭＪ的最大值）發(fā)送１０小時(shí)以上的串行測試數(shù)據(jù)（發(fā)送碼長高于１．７３×１０１３位），然后測試ｔＴＪ、ｔＭＪ和誤碼數(shù)。

表２、表３分別給出了ＭＡＸ９２０５／ＭＡＸ９２０和ＭＡＸ９２０７／ＭＡＸ９２０８串行－解串器在５英尺至６０英尺電纜長度下的測試結(jié)果。表中的比特率為串行信號速率，數(shù)據(jù)速率為“有效載荷”串行數(shù)據(jù)速率（數(shù)據(jù)速率＝（１０／１２）×比特率）。

表1 MAX9206/MAX9208最大臨界抖動(dòng)

表2 MAX9205/MAX9206的tTJ、tMJ、Vp-p和誤碼率（測量時(shí)間1小時(shí)）

    *tTJ、tMJ測量分辨率為10ps，Vp-p測量分辨率為2mV

表3 MAX9207/MAX9208的tTJ、tMJ、Vp-p和誤碼率（測量時(shí)間1小時(shí)）

    *tTJ、tMJ測量分辨率為10ps，Vp-p測量分辨率為2mV

表4 MAX9205/MAX9206和MAX9207/MAX9208的tTJ、tMJ、Vp-p和誤碼率 

    *tTJ、tMJ測量分辨率為20ps，Vp-p測量分辨率為2mV

    為了描述解串器在信號退化條件下恢復(fù)數(shù)據(jù)的能力（即抖動(dòng)裕量低于數(shù)據(jù)表中的指定參數(shù)），ＭＡＸ-ＩＭ公司在１００英尺電纜下對兩組串行／解串器進(jìn)行了測試，并將該測試數(shù)據(jù)連續(xù)發(fā)送１０小時(shí)以上，表４給出了抖動(dòng)測試結(jié)果、電壓峰值和誤碼數(shù)。

測試發(fā)現(xiàn)：所有測試結(jié)果中都沒有誤碼記錄。以５２０Ｍｂｐｓ的比特率經(jīng)過１００英尺電纜傳輸后，信號幅度為１１０ｍＶ，幅度大約為ｔＭＪ規(guī)定的３００ｍＶｐ－ｐ的三分之一。此外，ｔＴＪ為１０２０ｐｓ?抖動(dòng)占１９２３ｐｓ單位間隔（ｔＵＩ＝１／５２０Ｍｂｐｓ）的一半以上?？梢姡诖藯l件下得到的無誤碼測試結(jié)果為數(shù)據(jù)表１中的指標(biāo)提供了一定的測試裕量。

另外，根據(jù)測試結(jié)果也可預(yù)測ＢＥＲ。假設(shè)串行數(shù)據(jù)序列中任何一位發(fā)生誤碼的概率相同，而且各位發(fā)生誤碼事件是獨(dú)立的。如果設(shè)ＢＥＲ為ｑ，而串行數(shù)據(jù)序列可看作參數(shù)為ｑ的Ｂｅｒｎｏｕｌｌｉ試驗(yàn)?zāi)Ｐ?，則發(fā)送比特?cái)?shù)ｎ時(shí)的ｎ位序列無誤碼概率公式如下：

Ｐｎｏｅｒｒｏｒ＝（１－ｑ）ｎ

這樣，若采用１００英尺電纜來無誤碼發(fā)送超過１．７３×１０１３位的數(shù)據(jù)，則在ＢＥＲ的ｑ值低于３．０ ×１０－１３時(shí)，由上式計(jì)算出的Ｐｎｏｅｒｒｏｒ?yàn)椋埃埃埃担?。由此可知，?dāng)ＢＥＲ為３．０×１０－１３ 或更高時(shí)，對于一個(gè)１．７３×１０１３ 的比特流提供無誤碼傳輸?shù)母怕蕿椋埃埃埃担丁慕y(tǒng)計(jì)意義上說，如果無誤碼傳輸一個(gè)１．７３×１０１３ 位的序列，則ＢＥＲ＜３．０×１０－１３ ，這一假設(shè)成立的概率為９９．４４％。

這一結(jié)論是在１００英尺的電纜長度、信號質(zhì)量較差的條件下得到的。當(dāng)電纜長度較短、信號質(zhì)量較高時(shí)，還可獲得更高的鏈路可靠性。

４　結(jié)論

本文通過ＢＥＲ測試驗(yàn)證了ＭＡＸ９２０５／ＭＡＸ９２０６和ＭＡＸ９２０７／ＭＡＸ９２０８串行－解串器利用不同長度的低成本ＣＡＴ－５Ｅ電纜傳輸數(shù)據(jù)時(shí)的可靠性。結(jié)果表明即使在信號退化的情況下，ＢＥＲ低于３．０× １０－１３ 時(shí)的可信度仍然高于９９％。同時(shí)測試結(jié)果還表明：數(shù)據(jù)表中給出的最大抖動(dòng)限制是比較保守的估計(jì)，它足以保證鏈路的高可靠性。