Maxim GMSL SerDes器件中的預加重和均衡簡介

發(fā)送預加重和接收均衡允許串行器/解串器（SerDes）器件在廉價電纜或長距離上運行。本應用筆記描述了信號如何通過電纜降級以及如何補償這種降級。此外，本文檔還介紹了在使用有損電纜時如何與Maxim千兆多媒體串行鏈路（GMSL）產(chǎn)品實現(xiàn)可靠的鏈路。本文還概述了線路均衡。

視頻應用的最新進展以及數(shù)據(jù)流量的指數(shù)級增長提高了對更高數(shù)據(jù)速率的需求。因此，低成本雙絞線（TP）電纜引起了人們的特別關注。然而，這些TP電纜長時間運行的頻率相關衰減是其最佳使用的主要限制因素。這種頻率相關的衰減會在接收信號中造成明顯的碼間干擾（ISI），這反過來又給時鐘和數(shù)據(jù)恢復帶來了困難，并導致更高的誤碼率（BER）。圖1顯示了在信號到達接收器之前被電纜降級的傳輸信號的表示形式。通過顯著降低ISI并恢復嚴重降級的數(shù)據(jù)，發(fā)射器和接收器可以采用某種形式的線路均衡來實現(xiàn)可靠操作。

圖1.接收器端的 ISI。

Maxim GMSL器件的高速3.125Gbps收發(fā)器允許系統(tǒng)設計人員動態(tài)編程特定電纜的均衡電平，從而提供可靠的鏈路。發(fā)射器和接收器都具有均衡調(diào)整功能，可以單獨或一起編程以延長傳輸距離。這種靈活的均衡調(diào)整允許使用各種低成本有損電纜。

本應用筆記解釋了如何設計與Maxim GMSL產(chǎn)品和有損電纜的魯棒鏈路。它還概述了線路均衡。

GMSL 發(fā)射器預加重和接收器均衡

GMSL鏈路采用發(fā)射器預加重和接收器均衡來補償傳輸損耗。

變送器預加重

當接收器端未施加均衡時，高頻“0”脈沖在連續(xù)“1”后可能無法達到信號擺幅的中間電平，如圖2所示。該圖說明了如何通過強調(diào)轉換和不強調(diào)“無轉換”來克服頻率相關衰減。

圖2.時域預加重濾波。

由于導體和介電損耗，電纜具有低通傳遞函數(shù)，如圖3所示。通過利用均衡（高通傳遞曲線），可以在所需頻率范圍的帶寬內(nèi)獲得平坦（均勻衰減）的系統(tǒng)頻率響應。

圖3.頻域預加重濾波。

有效使用這種均衡技術將影響三個主要系統(tǒng)設計參數(shù)：

電纜長度

電纜類型

最大系統(tǒng)數(shù)據(jù)速率

例如，10m 電纜末端的完全閉合眼圖可以通過 6dB 預加重合理打開（圖 4）。

更詳細的圖像 （PDF， 1.3MB）

圖4.10m 電纜后 3.125Gbps 數(shù)據(jù)：（a） 無與 （b） 6dB 預加重。

如MAX9259數(shù)據(jù)資料所述，預加重電平由寄存器地址0x05 D[3：0]設置。用戶可以根據(jù)表1對預加重電平進行編程。負預加重電平對應于不強調(diào)高頻項，但僅取消強調(diào)低頻項的情況。同樣重要的是要注意，過度升壓會導致時序抖動略有增加。

在以下章節(jié)中，將討論如何使用發(fā)射器和接收器均衡器，以及表格測試數(shù)據(jù)。

接收器均衡

接收器均衡背后的基本思想如圖5所示。有損鏈路通過近似的一階傳遞函數(shù)衰減前向信道數(shù)據(jù)，該函數(shù)的帶寬遠低于數(shù)據(jù)頻率（數(shù)據(jù)頻率，fb，等于比特率的一半）。由于符號間干擾，這會導致確定性抖動。此外，對于長電纜，這種有損電纜末端的眼圖可以完全關閉。為了補償這種損失，首先通過傳遞函數(shù)處理數(shù)據(jù)，理想情況下，傳遞函數(shù)是電纜傳遞函數(shù)的倒數(shù)。因此，當鏈路和均衡器級聯(lián)時，可以獲得足夠的帶寬。在GMSL解串器中實現(xiàn)了12級可編程增益方法，以防止不同電纜長度的升壓不足或過度升壓。增益可以設置為12個不同的升壓級別，范圍從2dB到13dB。

圖5.通過在接收器內(nèi)應用通道傳遞函數(shù)的倒數(shù)來均衡數(shù)據(jù)。

不同升壓設置下的接收器傳遞函數(shù)（交流特性）如圖6所示。10m STP 電纜的通道加接收器傳遞函數(shù)如圖 7 所示。此圖中疊加了不同的提升級別。當升壓字為8 （9.4dB）時，整體傳遞函數(shù)在目標頻率范圍內(nèi)變得最大平坦。10m STP 電纜的接收器輸入和輸出眼圖如圖 8 所示。注意均衡器增益提升如何打開完全閉合的眼睛。

如果整體傳遞函數(shù)不平坦，會發(fā)生什么情況？就ISI抖動而言，過度升壓比欠升壓危害小。如圖9所示，當升壓電平降至最佳值以下時，輸出抖動會迅速增加。相反，當升壓電平增加到最佳點以上時，抖動會緩慢增加。

圖6.均衡器交流特性和不同調(diào)諧字的增益提升。

圖7.電纜和均衡器的交流響應（級聯(lián)）適用于 10m STP 電纜的不同升壓級別。

圖8.升壓最佳時 10m 電纜的接收器輸入和輸出眼圖。

圖9.10m 電纜的峰峰值 ISI 抖動與提升增益的關系。

選擇最佳預加重和均衡器設置

也許您不想用頻譜分析儀測量電纜損耗。在這種情況下，選擇最佳預加重/均衡器設置的最簡單方法是查看系統(tǒng)在極限頻率下的誤碼率。這里將提供兩個真實案例作為示例。

在表2中，我們總結了SerDes對（如MAX9259/MAX9260或MAX9249/MAX9268）使用10米電纜工作的最大像素時鐘頻率。每列顯示不同的 Rx 均衡器升壓增益，而每行對應于不同的 Tx 預加重值。當傳輸介質(zhì)正確均衡時，被測SerDes對的工作頻率高達124MHz。它達到124MHz，最小總升壓為14.1dB（1.1dB預加重和13dB Rx均衡）。在總升壓超過18.2dB（14dB預加重和4.2dB Rx均衡）后，ISI再次開始增加，這限制了工作頻率。因此，明智的做法是選擇14.1dB和18.2dB之間的總升壓值。我們通常建議從Rx部分選擇大部分升壓，因為Rx均衡器具有恒定的低頻增益，而Tx衰減低頻以實現(xiàn)預加重。衰減低頻意味著鏈路上的信號電平較低，這使得接收器的生活更加困難。因此，3.3dB預加重和13dB Rx升壓將是一個不錯的選擇。同樣的程序也可以應用于15米的電纜。表3總結了不同升壓電平下的最大頻率。最小和最大升壓電平分別為19.7dB（8dB預加重和11.7dB Rx均衡）和23.4dB（14dB預加重和9.4dB Rx均衡），因此8dB預加重和13dB Rx升壓是最佳選擇。

更詳細的圖像 （PDF， 54KB）

鏈路活動檢測器

GMSL解串器具有信號檢測器電路，當鏈路上沒有信號時，該電路將禁用接收器。當由于長電纜或高預加重電平而導致信號電平非常低時，解串器可能無法檢測到鏈路上的活動。因此，強烈建議禁用活動檢測器，同時搜索長電纜（> 10m）的最佳預加重和均衡器設置。可以通過將“0x80”寫入解串器的字節(jié) 11 來禁用檢測器。選擇最佳值后，可以通過將“0x20”寫入同一字節(jié)來再次啟用它。根據(jù)我們的實驗室測量，活動檢測器在最大PCLK頻率104.16MHz下對15m電纜進行高達8dB的預加重工作?；顒訖z測器還有一個低閾值選項。它可以通過將“0x00”寫入字節(jié) 11 來編程。根據(jù)實驗室測量，當選擇低閾值時，活動檢測器對 15m 電纜的預加重工作高達 14dB。如果電纜長度超過15m且預加重為14dB，建議禁用活動檢測器。這些測量中使用的電纜是標準的汽車STP電纜。

審核編輯：郭婷