利用眼圖評(píng)估串行器和解串器的性能

　　串行器和解串器廣泛用于視頻顯示和數(shù)字圖像系統(tǒng)，為了使串行數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)達(dá)到最好的性能，設(shè)計(jì)人員需要一個(gè)簡(jiǎn)易的方法來(lái)評(píng)估串行鏈路的數(shù)據(jù)傳輸可靠性。本文給出了一種測(cè)試方案，首先測(cè)量串行鏈路的眼圖模板，然后根據(jù)模板推導(dǎo)出指標(biāo)裕量。

　　Maxim 用于LVDS信號(hào)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傳輸高速數(shù)據(jù)時(shí)，設(shè)計(jì)人員需要了解串行傳輸系統(tǒng)的性能，以便確定數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃栽Ａ俊ＭǔＧ闆r下，這可以使用眼圖或眼圖模板進(jìn)行評(píng)估；但是根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)確定眼圖并沒(méi)有一個(gè)明確的具有說(shuō)服力的方法。

　　為舉例說(shuō)明此過(guò)程，測(cè)試系統(tǒng)采用MAX9217和MAX9250搭建了一個(gè)眼圖和鏈路可靠性裕量測(cè)試系統(tǒng)。測(cè)試中使用不同長(zhǎng)度的電纜并在不同溫度(+25?C, +95?C, 和+105?C)下進(jìn)行測(cè)試。所得結(jié)果同樣適用于MAX9248，MAX9248輸出為擴(kuò)展頻譜并行輸出，除此之外二者電路完全相同。

　　測(cè)試系統(tǒng)搭建

圖1. 眼圖模板測(cè)試的實(shí)驗(yàn)配置。

　　圖 1中，測(cè)試系統(tǒng)包括Agilent86130A誤碼測(cè)試儀、Agilent83752A合成掃描儀、HP70820A微波轉(zhuǎn)換分析儀。誤碼測(cè)試儀輸出串行數(shù)字信號(hào)給MAX9250，然后測(cè)試從MAX9217返回的串行數(shù)據(jù)的誤碼率。利用汽車內(nèi)常見(jiàn)的電纜(這里選擇的電纜由Rosenberger生產(chǎn))把誤碼分析儀連接到解串器，解串器的并行輸出連接到串行器輸入，串行器輸出連接到誤碼測(cè)試儀的串行輸入。這樣就可以利用誤碼儀測(cè)試SerDes鏈路的誤碼率。

　　合成掃描儀產(chǎn)生誤碼測(cè)試儀輸出串行數(shù)據(jù)所需的時(shí)鐘；微波轉(zhuǎn)換分析儀控制函數(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(cè)試儀的串行輸出上注入了抖動(dòng)。正弦調(diào)制頻率為5MHz，大概是解串器中PLL環(huán)路帶寬的十倍。采用5MHz正弦頻率調(diào)制主要是為了使這種調(diào)制看起來(lái)更像串行的數(shù)據(jù)相位抖動(dòng)，而不是能被接收器中PLL跟蹤的低頻漂移。誤碼儀也可以對(duì)輸出數(shù)據(jù)的差分幅度進(jìn)行調(diào)整，圖2給出了誤碼儀數(shù)據(jù)輸出的的抖動(dòng)和電壓調(diào)整。

圖2. 注入不同抖動(dòng)和輸出不同信號(hào)擺幅時(shí)的測(cè)試結(jié)果比較：(a)較小信號(hào)擺幅和中等輸入抖動(dòng)；(b)常規(guī)信號(hào)擺幅，注入更大的抖動(dòng)。

　　對(duì)抖動(dòng)和差分電壓擺動(dòng)設(shè)置完成后，可以對(duì)鏈路的性能進(jìn)行測(cè)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(cè)試

　　作為性能指標(biāo)的測(cè)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(kāi)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(méi)有一種能夠被廣泛接受的眼圖測(cè)試方法；主要困難在于眼圖的外形取決于很多因素：信號(hào)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(hào)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(hào)的眼圖。當(dāng)信號(hào)擺幅高于所觀察的門(mén)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(cè)試基于5m長(zhǎng)的電纜，串行數(shù)據(jù)速率是660Mbps，對(duì)于每個(gè)給定的信號(hào)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(méi)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(méi)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. 兩種溫度下，給定信號(hào)擺幅下可接受的抖動(dòng)值。

　　圖3給出的是在+25?C和+95?C環(huán)境溫度下，給定信號(hào)擺幅可以接受的最大抖動(dòng)值。抖動(dòng)單位是UI，1 UI="1/660MHz"=1.515ns。從圖3可以看出，+25?C下，當(dāng)信號(hào)的擺幅超過(guò)100mVP-P時(shí)對(duì)性能影響不大；+95?C時(shí)可以得到類似結(jié)論，只是擺幅門(mén)限為200mVP-P。所以，對(duì)眼圖模板取一個(gè)保守的信號(hào)擺幅門(mén)限：200mVP-P。這樣，可以通過(guò)實(shí)驗(yàn)對(duì)鏈路注入不同的抖動(dòng)值，以產(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(hào)的完整性。

　　測(cè)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(duì)不同長(zhǎng)度電纜、不同溫度下的鏈路進(jìn)行眼圖模板的測(cè)量。圖1測(cè)量裝置中，調(diào)整輸出信號(hào)的擺幅為200mVP-P，眼圖模板在垂直方向的高度為 200mVP-P。下一步是對(duì)鏈路注入不同的抖動(dòng)，以確定眼圖模板的水平長(zhǎng)度(圖3中的Y值)。取注入最大抖動(dòng)時(shí)鏈路在兩分鐘內(nèi)沒(méi)有誤碼時(shí)的水平長(zhǎng)度為模板Y值。表1給出了不同實(shí)驗(yàn)條件下的眼圖模板的水平長(zhǎng)度(水平長(zhǎng)度的單位是UI)，圖4給出了 兩種測(cè)試條件下的眼圖。

圖4. +95?C下，信號(hào)幅度為200 mVp-p，注入最大抖動(dòng)量，眼圖均顯示較好的開(kāi)度：測(cè)試板2的電纜長(zhǎng)度為5m，測(cè)試板1的電纜長(zhǎng)度為10m。

表1. 眼圖模板的水平長(zhǎng)度，單位為UI。

*注：5米電纜在2.5米處有一個(gè)連接器，10米電纜在2.5米、5米、8米處共放置了三個(gè)連接器。

　　注意大多示波器差分探頭不能承受過(guò)高的箱體溫度，所以本實(shí)驗(yàn)在室溫下對(duì)測(cè)量系統(tǒng)注入相同的信號(hào)擺幅和抖動(dòng)來(lái)測(cè)量眼圖。通過(guò)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100歐姆的差分負(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(cè)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(zhǎng)度和溫度條件相同。為保護(hù)探頭不被高溫?fù)p壞，把解串器放在溫箱外。表2給出了不同差分電纜長(zhǎng)度和溫度下的二維眼圖。

 圖5. 眼圖測(cè)量裝置

 表2. 測(cè)量鏈路眼圖

　　通過(guò)對(duì)比表2和表1對(duì)應(yīng)的眼圖模板，可以得到各鏈路的可靠性裕量。如表3所示，垂直方向裕量用dB表示，水平方向用UI表示。在眼圖中嵌入眼圖模板可以進(jìn)行直觀對(duì)比.

表3. 不同電纜長(zhǎng)度和溫度下的眼圖裕量

　　從表3可以得到如下結(jié)論：

　　眼圖模板受很多因素影響：如電纜類型、電纜長(zhǎng)度、連接器類型、溫度、數(shù)據(jù)速率以及芯片之間的差異。

　　電纜長(zhǎng)度為5米時(shí)，MAX9217/MAX9250芯片組在660Mbps數(shù)據(jù)速率下可以在垂直和水平方向提供足夠的可靠性裕量。

　　電纜長(zhǎng)度為10米時(shí)，二個(gè)方向上的可靠性裕量不大。

　　在測(cè)試1中，眼圖模板垂直方向的高度估算較為保守。如果室溫下信號(hào)的擺幅門(mén)限為100mVP-P，則可以得到更低開(kāi)度的眼圖模板和較大的垂直方向裕量。

　　結(jié)束語(yǔ)

　　本文通過(guò)實(shí)驗(yàn)方法來(lái)產(chǎn)生SerDes芯片組的眼圖模板。由于信號(hào)擺幅達(dá)到一定門(mén)限幅度時(shí)對(duì)鏈路性能影響不大，這一方法消除了信號(hào)擺幅對(duì)抖動(dòng)容限的影響。測(cè)試系統(tǒng)采用該門(mén)限作為眼圖模板的垂直開(kāi)度，采用最大抖動(dòng)容限作為模板的水平尺寸，所得到的眼圖模板可以用于評(píng)估鏈路的可靠性裕量。