Maxim GMSL SerDes器件中的預(yù)加重和均衡簡(jiǎn)介

發(fā)送預(yù)加重和接收均衡允許串行器/解串器（SerDes）器件在廉價(jià)電纜或長(zhǎng)距離上運(yùn)行。本應(yīng)用筆記描述了信號(hào)如何通過(guò)電纜降級(jí)以及如何補(bǔ)償這種降級(jí)。此外，本文檔還介紹了在使用有損電纜時(shí)如何與Maxim千兆多媒體串行鏈路（GMSL）產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)可靠的鏈路。本文還概述了線路均衡。

視頻應(yīng)用的最新進(jìn)展以及數(shù)據(jù)流量的指數(shù)級(jí)增長(zhǎng)提高了對(duì)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(guān)注。然而，這些TP電纜長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行的頻率相關(guān)衰減是其最佳使用的主要限制因素。這種頻率相關(guān)的衰減會(huì)在接收信號(hào)中造成明顯的碼間干擾（ISI），這反過(guò)來(lái)又給時(shí)鐘和數(shù)據(jù)恢復(fù)帶來(lái)了困難，并導(dǎo)致更高的誤碼率（BER）。圖1顯示了在信號(hào)到達(dá)接收器之前被電纜降級(jí)的傳輸信號(hào)的表示形式。通過(guò)顯著降低ISI并恢復(fù)嚴(yán)重降級(jí)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(lái)實(shí)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(shè)計(jì)人員動(dòng)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(dú)或一起編程以延長(zhǎng)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(yīng)用筆記解釋了如何設(shè)計(jì)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(yù)加重和接收器均衡

GMSL鏈路采用發(fā)射器預(yù)加重和接收器均衡來(lái)補(bǔ)償傳輸損耗。

變送器預(yù)加重

當(dāng)接收器端未施加均衡時(shí)，高頻“0”脈沖在連續(xù)“1”后可能無(wú)法達(dá)到信號(hào)擺幅的中間電平，如圖2所示。該圖說(shuō)明了如何通過(guò)強(qiáng)調(diào)轉(zhuǎn)換和不強(qiáng)調(diào)“無(wú)轉(zhuǎn)換”來(lái)克服頻率相關(guān)衰減。

圖2.時(shí)域預(yù)加重濾波。

由于導(dǎo)體和介電損耗，電纜具有低通傳遞函數(shù)，如圖3所示。通過(guò)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(yīng)。

圖3.頻域預(yù)加重濾波。

有效使用這種均衡技術(shù)將影響三個(gè)主要系統(tǒng)設(shè)計(jì)參數(shù)：

電纜長(zhǎng)度

電纜類(lèi)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(guò) 6dB 預(yù)加重合理打開(kāi)（圖 4）。

更詳細(xì)的圖像 （PDF， 1.3MB）

圖4.10m 電纜后 3.125Gbps 數(shù)據(jù)：（a） 無(wú)與 （b） 6dB 預(yù)加重。

如MAX9259數(shù)據(jù)資料所述，預(yù)加重電平由寄存器地址0x05 D[3：0]設(shè)置。用戶可以根據(jù)表1對(duì)預(yù)加重電平進(jìn)行編程。負(fù)預(yù)加重電平對(duì)應(yīng)于不強(qiáng)調(diào)高頻項(xiàng)，但僅取消強(qiáng)調(diào)低頻項(xiàng)的情況。同樣重要的是要注意，過(guò)度升壓會(huì)導(dǎo)致時(shí)序抖動(dòng)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(cè)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(guò)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(yuǎn)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(hào)間干擾，這會(huì)導(dǎo)致確定性抖動(dòng)。此外，對(duì)于長(zhǎng)電纜，這種有損電纜末端的眼圖可以完全關(guān)閉。為了補(bǔ)償這種損失，首先通過(guò)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(dāng)鏈路和均衡器級(jí)聯(lián)時(shí)，可以獲得足夠的帶寬。在GMSL解串器中實(shí)現(xiàn)了12級(jí)可編程增益方法，以防止不同電纜長(zhǎng)度的升壓不足或過(guò)度升壓。增益可以設(shè)置為12個(gè)不同的升壓級(jí)別，范圍從2dB到13dB。

圖5.通過(guò)在接收器內(nèi)應(yīng)用通道傳遞函數(shù)的倒數(shù)來(lái)均衡數(shù)據(jù)。

不同升壓設(shè)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(jí)別。當(dāng)升壓字為8 （9.4dB）時(shí)，整體傳遞函數(shù)在目標(biāo)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(kāi)完全閉合的眼睛。

如果整體傳遞函數(shù)不平坦，會(huì)發(fā)生什么情況？就ISI抖動(dòng)而言，過(guò)度升壓比欠升壓危害小。如圖9所示，當(dāng)升壓電平降至最佳值以下時(shí)，輸出抖動(dòng)會(huì)迅速增加。相反，當(dāng)升壓電平增加到最佳點(diǎn)以上時(shí)，抖動(dòng)會(huì)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(yīng)（級(jí)聯(lián)）適用于 10m STP 電纜的不同升壓級(jí)別。

圖8.升壓最佳時(shí) 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(dòng)與提升增益的關(guān)系。

選擇最佳預(yù)加重和均衡器設(shè)置

也許您不想用頻譜分析儀測(cè)量電纜損耗。在這種情況下，選擇最佳預(yù)加重/均衡器設(shè)置的最簡(jiǎn)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(gè)真實(shí)案例作為示例。

在表2中，我們總結(jié)了SerDes對(duì)（如MAX9259/MAX9260或MAX9249/MAX9268）使用10米電纜工作的最大像素時(shí)鐘頻率。每列顯示不同的 Rx 均衡器升壓增益，而每行對(duì)應(yīng)于不同的 Tx 預(yù)加重值。當(dāng)傳輸介質(zhì)正確均衡時(shí)，被測(cè)SerDes對(duì)的工作頻率高達(dá)124MHz。它達(dá)到124MHz，最小總升壓為14.1dB（1.1dB預(yù)加重和13dB Rx均衡）。在總升壓超過(guò)18.2dB（14dB預(yù)加重和4.2dB Rx均衡）后，ISI再次開(kāi)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?yàn)镽x均衡器具有恒定的低頻增益，而Tx衰減低頻以實(shí)現(xiàn)預(yù)加重。衰減低頻意味著鏈路上的信號(hào)電平較低，這使得接收器的生活更加困難。因此，3.3dB預(yù)加重和13dB Rx升壓將是一個(gè)不錯(cuò)的選擇。同樣的程序也可以應(yīng)用于15米的電纜。表3總結(jié)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(yù)加重和11.7dB Rx均衡）和23.4dB（14dB預(yù)加重和9.4dB Rx均衡），因此8dB預(yù)加重和13dB Rx升壓是最佳選擇。

更詳細(xì)的圖像 （PDF， 54KB）

鏈路活動(dòng)檢測(cè)器

GMSL解串器具有信號(hào)檢測(cè)器電路，當(dāng)鏈路上沒(méi)有信號(hào)時(shí)，該電路將禁用接收器。當(dāng)由于長(zhǎng)電纜或高預(yù)加重電平而導(dǎo)致信號(hào)電平非常低時(shí)，解串器可能無(wú)法檢測(cè)到鏈路上的活動(dòng)。因此，強(qiáng)烈建議禁用活動(dòng)檢測(cè)器，同時(shí)搜索長(zhǎng)電纜（> 10m）的最佳預(yù)加重和均衡器設(shè)置?？梢酝ㄟ^(guò)將“0x80”寫(xiě)入解串器的字節(jié) 11 來(lái)禁用檢測(cè)器。選擇最佳值后，可以通過(guò)將“0x20”寫(xiě)入同一字節(jié)來(lái)再次啟用它。根據(jù)我們的實(shí)驗(yàn)室測(cè)量，活動(dòng)檢測(cè)器在最大PCLK頻率104.16MHz下對(duì)15m電纜進(jìn)行高達(dá)8dB的預(yù)加重工作。活動(dòng)檢測(cè)器還有一個(gè)低閾值選項(xiàng)。它可以通過(guò)將“0x00”寫(xiě)入字節(jié) 11 來(lái)編程。根據(jù)實(shí)驗(yàn)室測(cè)量，當(dāng)選擇低閾值時(shí)，活動(dòng)檢測(cè)器對(duì) 15m 電纜的預(yù)加重工作高達(dá) 14dB。如果電纜長(zhǎng)度超過(guò)15m且預(yù)加重為14dB，建議禁用活動(dòng)檢測(cè)器。這些測(cè)量中使用的電纜是標(biāo)準(zhǔn)的汽車(chē)STP電纜。

審核編輯：郭婷