利用眼圖模板評(píng)估串行器和解串器(SerDes)的性能

摘要：Maxim開(kāi)發(fā)了一系列串行器和解串器，廣泛用于視頻顯示和數(shù)字圖像系統(tǒng)中的高速、串行數(shù)據(jù)互聯(lián)。目前，設(shè)計(jì)人員急需找到一種測(cè)試由串行器和解串器(SerDes)芯片組搭建的串行數(shù)據(jù)鏈路性能和裕量的方法。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。

引言

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俊ＭǔＧ闆r下，這可以使用眼圖或眼圖模板對(duì)性能及其裕量進(jìn)行評(píng)估；1, 2 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。

本文系統(tǒng)介紹了根據(jù)所測(cè)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(shuō)明此過(guò)程，測(cè)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(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。

注：該測(cè)試對(duì)MAX9250的測(cè)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(cè)試系統(tǒng)搭建

測(cè)試系統(tǒng)包括以下儀器設(shè)備：

• Agilent 86130A誤碼測(cè)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

通過(guò)MD Elektronik GmbH3生產(chǎn)的高質(zhì)量屏蔽電纜(型號(hào)：PT1482)構(gòu)建MAX9217串行器和MAX9250解串器之間的物理鏈路，該電纜連接評(píng)估板上發(fā)送器(MAX9217)側(cè)和接收器(MAX9250)側(cè)的兩個(gè)Rosenberger4插座(型號(hào)：D4S20D-40ML5-Y，水藍(lán)色)。Rosenberger網(wǎng)站的詳細(xì)信息/鏈接參見(jiàn)本應(yīng)用筆記最后的參考文獻(xiàn)。

測(cè)試系統(tǒng)所需的儀器設(shè)備如圖1所示。


圖1. 眼圖模板測(cè)試的實(shí)驗(yàn)配置

誤碼測(cè)試儀輸出串行數(shù)字信號(hào)給MAX9250解串器，然后測(cè)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(cè)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(cè)試采用了不同長(zhǎng)度的PT1482電纜(測(cè)試結(jié)果參見(jiàn)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(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(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(duì)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(hào)擺幅時(shí)的測(cè)試結(jié)果比較：圖1a為較小信號(hào)擺幅和中等輸入抖動(dòng)；圖2b為常規(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 (單位間隔)，1 UI = 1/660MHz = 1.515ns。


圖3. 兩種溫度下，給定信號(hào)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(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(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 擺幅使解串器輸入端的信號(hào)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(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)。水平長(zhǎng)度的測(cè)量是取注入最大抖動(dòng)時(shí)鏈路在兩分鐘內(nèi)沒(méi)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(zhǎng)度，水平長(zhǎng)度的單位是UI。

表1. 眼圖模板的水平長(zhǎng)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

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

圖4給出了兩種測(cè)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(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(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。


圖5. 眼圖測(cè)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(zhǎng)度和溫度下的二維眼圖。

表2. 測(cè)量鏈路眼圖

Test Board No.	0m Cable		5m Cable PT1482		10m Cable 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)
?	+25°C	+25°C	+25°C	+25°C	+25°C	+25°C
1	0.894	480	0.815	374	0.670	226
2	0.881	464	0.815	372	0.716	236
3	0.894	504	0.809	368	0.696	228
?	+95°C	+95°C	+95°C	+95°C	+95°C	+95°C
1	?	?	0.815	380	0.710	220
2	?	?	0.802	388	0.723	210
3	?	?	0.842	404	0.729	248
?	+105°C	+105°C	+105°C	+105°C	+105°C	+105°C
1	?	?	0.795	376	0.696	204
2	?	?	0.782	380	0.716	206
3	?	?	0.822	400	0.716	230

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。

表3. 不同電纜長(zhǎng)度和溫度下的眼圖裕量

Test Board No.	0m Cable		5m Cable PT1482		10m Cable PT1482
?	Eye Margin (Hor., UI)	Eye Margin (Ver., dB)	Eye Margin (Hor., UI)	Eye Margin (Ver., dB)	Eye Margin (Hor., UI)	Eye Margin (Ver., dB)
?	+25°C	+25°C	+25°C	+25°C	+25°C	+25°C
1	0.297	7.6	0.264	5.4	0.145	1.1
2	0.277	7.3	0.238	5.4	0.172	1.4
3	0.290	8.0	0.257	5.3	0.172	1.1
?	+95°C	+95°C	+95°C	+95°C	+95°C	+95°C
1	?	?	0.185	5.6	0.112	0.8
2	?	?	0.158	5.8	0.132	0.4
3	?	?	0.218	6.1	0.132	1.9
?	+105°C	+105°C	+105°C	+105°C	+105°C	+105°C
1	?	?	0.165	5.5	0.026	0.2
2	?	?	0.172	5.6	0.033	0.3
3	?	?	0.231	6.0	0.079	1.2

在眼圖中嵌入眼圖模板可以進(jìn)行直觀對(duì)比，如圖6所示。


圖6. 嵌入測(cè)試眼圖的眼圖模板

從表3可以得到如下結(jié)論：

1. 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。
   
   
2. 電纜長(zhǎng)度為5m時(shí)，MAX9217/MAX9250 SerDes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。
   
   
3. 電纜長(zhǎng)度為10m時(shí)，MAX9217/MAX9250 SerDes芯片組在兩個(gè)方向上的可靠性裕量不大。
   
   
4. 在測(cè)試1中，眼圖模板垂直方向的高度估算較為保守(參考表1)。如果室溫下信號(hào)的擺幅門限為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)論

本文通過(guò)實(shí)驗(yàn)的方法產(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。

類似文章發(fā)表于ECN 2008年10月刊。



參考文獻(xiàn)

1. Agilent, Inc., Application note, "Calibrated Jitter, Jitter Tolerance Test and Jitter Laboratory with the Agilent J-BERT N4903A," at: http://cp.literature.agilent.com/litweb/pdf/5989-4967EN.pdf
2. Agilent, Inc., White Paper, "Comparison of Different Jitter Analysis Techniques with a Precision Jitter Transmitter," at: http://cp.literature.agilent.com/litweb/pdf/5989-3205EN.pdf
3. MD Elektronik GmbH, PT1482 cable information at: http://www.md-elektronik-gmbh.de
4. Rosenberger, Inc., Technical Data Sheet for Right Angle PCB Plug, D4S20D-40ML5-Y at: http://www.rosenberger.de/ok/html/db/D4S20D-40ML5-Y.pdf.