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，設(shè)計人員需要了解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)驗數(shù)據(jù)確定眼圖并沒有一個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)所需的時鐘；微波瞬態(tài)分析儀控制函數(shù)發(fā)生器在輸出時鐘的正確時刻添加正弦調(diào)制。等效于在誤碼測試儀的串行輸出上注入了抖動。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，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)輸出的抖動和電壓調(diào)整。
圖2. 注入不同抖動和輸出不同信號擺幅時的測試結(jié)果比較：圖1a為較小信號擺幅和中等輸入抖動；圖2b為常規(guī)信號擺幅，注入更大的抖動
對抖動和差分電壓擺動設(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等于注入的正弦抖動加上有限的鏈路帶寬所產(chǎn)生的固定抖動。
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之間的相互關(guān)聯(lián)也非常重要。
產(chǎn)生眼圖模板時，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，解串器的性能主要取決于抖動大小。實(shí)驗中所進(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，對于每個給定的信號幅度確定解串器能夠允許的最大抖動。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。從統(tǒng)計學(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值。抖動單位是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值
從圖3可以看出，+25°C下，當(dāng)信號的擺幅超過100mVP-P時對性能影響不大；+95°C時可以得到類似結(jié)論，只是擺幅門限為200mVP-P。所以，對眼圖模板取一個保守的信號擺幅門限：200mVP-P，改變注入的抖動量直到鏈路失效。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，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，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時鏈路在兩分鐘內(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)驗在室溫下對測量系統(tǒng)注入相同的信號擺幅和抖動來測量眼圖。通過實(shí)驗觀察，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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