利用眼圖模板評估串行器和解串器(SerDes)的性能
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引言
Maxim用于LVDS信號鏈路的串行器和解串器(SerDes)非常適合汽車和電信系統(tǒng)的視頻顯示、圖像采集以及數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)。當(dāng)使用SerDes芯片組傳輸高速數(shù)據(jù)時(shí)，設(shè)計(jì)人員需要了解SerDes鏈路的性能，以便確定數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃栽Ａ?。通常情況下，這可以使用眼圖或眼圖模板對性能及其裕量進(jìn)行評估；1, 2 但是根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)確定眼圖并沒有一個(gè)明確的具有說服力的方法。本文系統(tǒng)介紹了根據(jù)所測量的串行鏈路的眼圖和誤碼率確定眼圖模板的方法。為舉例說明此過程，測試系統(tǒng)采用MAX9217和MAX9250 SerDes芯片組搭建了一個(gè)眼圖和鏈路可靠性裕量測試系統(tǒng)。測試中使用不同長度的電纜并在不同溫度(+25°C, +95°C和+105°C)下進(jìn)行測試。
注：該測試對MAX9250的測試結(jié)果同樣適用于MAX9248，MAX9248輸出為擴(kuò)展頻譜并行輸出，除此之外MAX9248與MAX9250具有相同的接收電路。
測試系統(tǒng)搭建
測試系統(tǒng)包括以下儀器設(shè)備：- Agilent 86130A誤碼測試儀
- Agilent 83752A合成掃描儀
- Agilent 70820A微波瞬態(tài)分析儀
- Agilent 3325A函數(shù)發(fā)生器
測試系統(tǒng)所需的儀器設(shè)備如圖1所示。
圖1. 眼圖模板測試的實(shí)驗(yàn)配置
誤碼測試儀輸出串行數(shù)字信號給MAX9250解串器，然后測試從MAX9217返回的串行數(shù)據(jù)的誤碼率。利用電纜將串行輸出連接到誤碼分析儀，串行器輸入連接到MAX9250。本測試中采用 MD Electronik和Rosenberger生產(chǎn)的電纜和連接器，所有器件均符合汽車應(yīng)用的嚴(yán)格指標(biāo)要求。
本測試采用了不同長度的PT1482電纜(測試結(jié)果參見表1至表3)。MAX9250的并行輸出連接到MAX9217的并行輸入，MAX9217的串行輸出連接到誤碼分析儀的串行輸入。這種配置下，可以利用誤碼分析儀測試SerDes鏈路的誤碼率。
合成掃描儀產(chǎn)生誤碼測試儀輸出串行數(shù)據(jù)所需的時(shí)鐘；微波瞬態(tài)分析儀控制函數(shù)發(fā)生器在輸出時(shí)鐘的正確時(shí)刻添加正弦調(diào)制。等效于在誤碼測試儀的串行輸出上注入了抖動(dòng)。正弦調(diào)制頻率為5MHz，大概是MAX9250接收器PLL環(huán)路帶寬的十倍。這一選擇將正弦調(diào)制轉(zhuǎn)換成解串器的相位抖動(dòng)，而不是能被接收器PLL跟蹤的低頻漂移。
誤碼儀也可以對輸出數(shù)據(jù)的差分幅度進(jìn)行調(diào)整，圖2a和圖2b給出了誤碼儀數(shù)據(jù)輸出的抖動(dòng)和電壓調(diào)整。
圖2. 注入不同抖動(dòng)和輸出不同信號擺幅時(shí)的測試結(jié)果比較：圖1a為較小信號擺幅和中等輸入抖動(dòng)；圖2b為常規(guī)信號擺幅，注入更大的抖動(dòng)
對抖動(dòng)和差分電壓擺動(dòng)設(shè)置完成后，可以對鏈路的性能進(jìn)行測試。并行數(shù)據(jù)的速率為33Mbps，串行轉(zhuǎn)換后的速率為660Mbps；串行器輸入端的總抖動(dòng)等于注入的正弦抖動(dòng)加上有限的鏈路帶寬所產(chǎn)生的固定抖動(dòng)。
眼圖模板測試
作為性能指標(biāo)的測量，SerDes鏈路眼圖模板給出了解串器輸入端眼圖的垂直和水平尺寸限制。只要眼圖開度大于模板，設(shè)計(jì)人員即可確信串行數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)是可靠的。然而，目前還沒有一種能夠被廣泛接受的眼圖測試方法；主要困難在于眼圖的外形取決于很多因素：信號擺幅、電纜特性、抖動(dòng)和溫度。所面臨的挑戰(zhàn)是如何在給定的電纜和溫度指標(biāo)下產(chǎn)生合理的眼圖模板，另外，消除信號幅度和抖動(dòng)之間的相互關(guān)聯(lián)也非常重要。
產(chǎn)生眼圖模板時(shí)，首先需要觀察解串器輸出信號的眼圖。當(dāng)信號“擺幅”高于所觀察的門限時(shí)，解串器的性能主要取決于抖動(dòng)大小。實(shí)驗(yàn)中所進(jìn)行的一系列測試基于5m長的電纜，串行數(shù)據(jù)速率是660Mbps，對于每個(gè)給定的信號幅度確定解串器能夠允許的最大抖動(dòng)。如果解串器在2分鐘內(nèi)沒有出現(xiàn)誤碼，我們即可判斷解串器能夠容許所注入的抖動(dòng)。從統(tǒng)計(jì)學(xué)意義上講，2分鐘內(nèi)沒有出現(xiàn)誤碼，意味著置信度高于99.9%，鏈路的誤碼率低于10-10。圖3給出的是在+25°C和+95°C環(huán)境溫度下，給定信號擺幅可以接受的最大抖動(dòng)值。抖動(dòng)單位是UI (單位間隔)，1 UI = 1/660MHz = 1.515ns。
圖3. 兩種溫度下，給定信號擺幅下可接受的抖動(dòng)值
從圖3可以看出，+25°C下，當(dāng)信號的擺幅超過100mVP-P時(shí)對性能影響不大；+95°C時(shí)可以得到類似結(jié)論，只是擺幅門限為200mVP-P。所以，對眼圖模板取一個(gè)保守的信號擺幅門限：200mVP-P，改變注入的抖動(dòng)量直到鏈路失效。按照這種方式產(chǎn)生適當(dāng)?shù)哪０?，?dāng)系統(tǒng)滿足此模板要求時(shí)，可以保證鏈路信號的完整性。
測量給定鏈路的眼圖模板
確定產(chǎn)生眼圖模板的方法后，可以對不同長度電纜、不同溫度下的鏈路進(jìn)行眼圖模板的測量。圖1測量裝置中，調(diào)整輸出信號的 擺幅使解串器輸入端的信號擺幅為200mVP-P，確認(rèn)眼圖模板在垂直方向的高度為200mVP-P (圖3中的“x”值)。下一步是對鏈路注入不同的抖動(dòng)，以確定眼圖模板的水平長度(圖3中的 “y”值)。水平長度的測量是取注入最大抖動(dòng)時(shí)鏈路在兩分鐘內(nèi)沒有誤碼的情況。表1給出了不同實(shí)驗(yàn)條件下的眼圖模板的水平長度，水平長度的單位是UI。表1. 眼圖模板的水平長度，單位為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 |
圖4給出了兩種測試條件下的眼圖。
圖4. 200mVP-P眼圖，最大抖動(dòng)容限
注意大多示波器差分探頭不能承受過高的箱體溫度，所以本實(shí)驗(yàn)在室溫下對測量系統(tǒng)注入相同的信號擺幅和抖動(dòng)來測量眼圖。通過實(shí)驗(yàn)觀察，室溫下的眼圖和高溫下的很類似：解串器的輸入阻抗很高，輸入端使用精密的外部電阻端接，構(gòu)成100Ω的差分負(fù)載，以降低溫度的影響。
從眼圖模板獲得鏈路可靠性裕量
鏈路可靠性裕量可以直接由眼圖模板導(dǎo)出。圖5測量解串器輸入端的眼圖的條件和表1使用的條件相同，即電纜長度和溫度條件相同。
圖5. 眼圖測量裝置
為保護(hù)探頭不被高溫?fù)p壞，把MAX9250解串器放在溫箱外。表2給出了不同差分電纜長度和溫度下的二維眼圖。
表2. 測量鏈路眼圖
| Test Board No. | PT1482 | 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) | |
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