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LVDS串行-解串器在電纜數據傳輸中的性能
利用串行－解串器能夠大大減少短距離、寬帶數據通信中的連線。類似的應用有電信和網絡設備的背板互連、３Ｇ蜂窩電話基站中機架內部的互連、數字視頻接口等。采用電流模式、低電壓差分信號（ＬＶＤＳ）的好處在于易端接、低傳輸功率和低電磁干擾（ＥＭＩ）。但ＬＶＤＳ的主要標準ＴＩＡ／ＥＩＡ－６４４－Ａ中只規定了信號電平等物理層參數，而沒有給出諸如數據速率與電纜長度對應關系的互連特性。ＬＶＤＳ標準提供給用戶的僅僅是ＬＶＤＳ信號的基本兼容規范，在實際的高速應用中，用戶還必須了解在規定的電纜和傳輸距離條件下所能達到的性能。Ｍａｘｉｍ公司生產的ＭＡＸ９２０５／ＭＡＸ９２０７ＬＶＤＳ串行器和ＭＡＸ９２０６／ＭＡＸ９２０８ＬＶＤＳ解串器能夠通過差分特性阻抗為１００Ω的串行點對點鏈路進行高速數據傳輸，ＭＡＸ９２０５／ＭＡＸ９２０６的串行“有效載荷”數據速率（含同步碼）為１６０Ｍｂｐｓ～４００Ｍｂｐｓ；ＭＡＸ９２０７／ＭＡＸ９２０８的速率為４００Ｍｂｐｓ～６００Ｍｂｐｓ。該兩組芯片引腳兼容，但分別優化在不同的頻率范圍。下面介紹ＭＡＸ９２０５／ＭＡＸ９２０７ＬＶＤＳ串行器和ＭＡＸ９２０６／ＭＡＸ９２０８解串器在不同數據速率、電纜長度下的實驗室測試結果和誤碼率（ＢＥＲ）分析。同時將ＢＥＲ與不同長度的ＣＡＴ－５Ｅ非屏蔽雙絞線上的眼圖抖動相關聯。
１ＢＥＲ測試
ＢＥＲ測試是衡量傳輸鏈路可靠性最直接、最準確的途徑。數字通信鏈路所要求的誤碼率非常低，通常為千億分之一（１０－１２）或更低。
進行ＢＥＲ測試需要高品質的信號發生器和特定的測試設備，通常ＢＥＲ測試需要用數小時甚至幾天的時間來傳輸大量的數據以達到１０－１２或更低ＢＥＲ的測試要求，這取決于數據的傳輸速率。考慮到ＢＥＲ測試比較耗時，通常用一些快速測量方式預測傳輸鏈路的可靠性，如設置產生低ＢＥＲ的抖動電平等。實際上，ＢＥＲ測試通常用于驗證數據表中抖動指標的最大值。圖１所示是用ＬＶＤＳ串行器／解串器建立點對點鏈路的配置。
２測試裝置
當ＭＡＸ９２０５或ＭＡＸ９２０７ＬＶＤＳ串行器發送ＬＶＤＳ信號后，串行器將在并行數據時鐘（ＴＣＬＫ）的上升沿鎖存１０位并行數據，并在加入２位同步碼后通過單路ＬＶＤＳ輸出端口發送串行數據。ＭＡＸ９２０５的并行數據時鐘范圍為１６～４０ＭＨｚ；ＭＡＸ９２０７的時鐘范圍為４０～６０ＭＨｚ。加入２位同步碼后，串行數據比特率為１２倍ＴＣＬＫ。“有效載荷”串行數據速率（串行比特率減去２位同步碼）為１０倍ＴＣＬＫ。
圖2電纜測試裝置表示將串行I/O轉換成并行I/O的串行器/解串器
在圖２所示的電纜測試裝置中，２號評估板的串行器和解串器可將安捷倫（Ａｇｉｌｅｎｔ）公司的８６１３０ＡＢＥＲ測試儀的串行Ｉ／Ｏ轉換成并行Ｉ／Ｏ，然后將并行數據送入或從１號電纜測試評估板讀出。８６１３０Ａ輸出的串行數據序列碼長為１２００位，其中１０００位取自２ｍ－１偽隨機二進制序列（ＰＲＢＳ），每１０位ＰＲＢＳ碼插入０１同步碼仿真串行器的添加位。２號評估板的解串器可移出同步碼并輸出ＰＲＢＳ并行數據至１號評估板的電纜測試串行器。串行數據序列被連續重復發送，而安捷倫公司的８１２５０則主要用于提供所需要的參考時鐘（ＴＣＬＫ用于串行器、ＲＥＦ-ＣＬＫ用于解串器）。
通過分別測試電纜長度為５英尺、１５英尺、３０英尺、６０英尺和１００英尺（采用ＧｅｎｅｒａｌＣａｂｌｅ公司的５Ｅ類以太網ＡＷＧ２４非屏蔽雙絞線，型號為２１３３６２９Ｈ）時的ＢＥＲ，并采用Ｔｅｋｔｒｏｎｉ×ＴＤＳ７８４Ｃ示波器和Ｔｅｋｔｒｏｎｉ×Ｐ６２４７１．０ＧＨｚ差分探測器測試解串器輸入端的眼圖抖動特性，同時調節８１２５０提供的ＴＣＬＫ串行器參考時鐘的延遲時間，可使其符合表中列出的串行器輸入建立時間和保持時間的要求。
３測試結果
測試時可分別采用ＭＡＸ９２０５／ＭＡＸ９２０６和ＭＡＸ９２０７／ＭＡＸ９２０８串行－解串器對，８６３１Ａ為ＭＡＸ９２０５／ＭＡＸ９２０６提供的串行比特率為１９２～４８０Ｍｂｐｓ，為ＭＡＸ９２０７／ＭＡＸ９２０８提供的比特率為４８０～７２０Ｍｂｐｓ。為了量化眼圖信號的完整性，可以定義兩個參數：總計抖動（ｔＴＪ）和臨界抖動（ｔＭＪ）。其中ｔＴＪ是在差分電壓為０時測試的抖動時間寬度（０差分電壓是示波器軌跡的橫軸），ｔＭＪ是零差分電壓處的抖動中點與３００ｍＶ峰值差分電壓所對應的抖動中點之間的時間間隔（參見圖３）。人們可能期望解串器－差分輸入在差分電壓為０Ｖ點發生轉換，但是，比較保守的方法是用額外的差分電壓提供過驅動。實際上，ｔＴＪ對應的電平轉換發生在０Ｖ差分電壓，而ｔＭＪ則要求在轉換解串器輸入電平之前差分信號就應達到３００ｍＶｐ－ｐ。由此可見，用ｔＭＪ檢測信號的完整性更加可靠。在圖３中將ｔＵＩ定義為一比特串行碼的持續時間（單位間隔），單位間隔是參考頻率周期除以１２。
由于差分峰值電壓（Ｖｐ－ｐ）是測試點單端電壓之差的兩倍，因此，在測試點，如果ＶＯＵＴ＋為１．３５Ｖ、ＶＯＵＴ＿為１．１０Ｖ（相對于地電位，高電平）或ＶＯＵＴ＋為１．１０Ｖ、ＶＯＵＴ為１．３５Ｖ（相對于地電位，低電平狀態），則Ｖｐ－ｐ為５００ｍＶ。由于采用差分探測器進行測試，它取ＶＯＵＴ＋與ＶＯＵＴ＿的差值，眼圖中表現為Ｖｐ－ｐ。
表１列出了ＭＡＸ９２０６／ＭＡＸ９２０８解串器數據表中規定的最大ｔＭＪ，如果ｔＭＪ低于或等于表中列出的最大值，解串器即能確保數據的恢復。測試過程可在兩種條件下進行，第一是使串行測試模板按照串行－解串器對所允許的最高速率在不同電纜長度下運行１小時，然后測試ｔＴＪ、ｔＭＪ和誤碼數；第二是在最大抖動條件下（大于數據表中ｔＭＪ的最大值）發送１０小時以上的串行測試數據（發送碼長高于１．７３×１０１３位），然后測試ｔＴＪ、ｔＭＪ和誤碼數。
表２、表３分別給出了ＭＡＸ９２０５／ＭＡＸ９２０和ＭＡＸ９２０７／ＭＡＸ９２０８串行－解串器在５英尺至６０英尺電纜長度下的測試結果。表中的比特率為串行信號速率，數據速率為“有效載荷”串行數據速率（數據速率＝（１０／１２）×比特率）。
表1MAX9206/MAX9208最大臨界抖動
比特率（Mbps）數據速率（Mbps）最大臨界抖動tMJ(ps)1921601300480400720720600320
表2MAX9205/MAX9206的tTJ、tMJ、Vp-p和誤碼率（測量時間1小時）
電纜長度（英尺）比特率（Mbps)數據速率（Mbps）總計抖動tTJ(ps)*臨界抖動
tMJ(ps)*差分電壓
Vp-p(mV)*誤碼數
（1.728×1012位）5480400200220880無誤碼15480400200260780無誤碼30480400220320636無誤碼60480400360560420無誤碼
*tTJ、tMJ測量分辨率為10ps，Vp-p測量分辨率為2mV
表3MAX9207/MAX9208的tTJ、tMJ、Vp-p和誤碼率（測量時間1小時）
電纜長度
（英尺）比特率（Mbps）數據速率（Mbps)總計抖動
tTJ(ps)*臨界抖動
tMJ(ps)*差分電壓
Vp-p(mV)*誤碼數
（1.728×1012位）57206001802008520無誤碼15720600180230660無誤碼30720600220270556無誤碼60720600320Vp-p<300mV292無誤碼
*tTJ、tMJ測量分辨率為10ps，Vp-p測量分辨率為2mV
表4MAX9205/MAX9206和MAX9207/MAX9208的tTJ、tMJ、Vp-p和誤碼率
電纜長度
（英尺）比特率（Mbps）數據速率（Mbps）總計抖動
tTJ(ps)*臨界抖動
tMJ(ps)*差分電壓
Vp-p(mV)*條件MAX9205/MAX9206100480400660-192發送碼長：1.73×1013；
誤碼：0；測試時間：>10小時MAX9207/MAX92081005204331020-110發送碼長：1.87×1013;
誤碼：0；測試時間：>10小時
*tTJ、tMJ測量分辨率為20ps，Vp-p測量分辨率為2mV
為了描述解串器在信號退化條件下恢復數據的能力（即抖動裕量低于數據表中的指定參數），ＭＡＸ-ＩＭ公司在１００英尺電纜下對兩組串行／解串器進行了測試，并將該測試數據連續發送１０小時以上，表４給出了抖動測試結果、電壓峰值和誤碼數。
測試發現：所有測試結果中都沒有誤碼記錄。以５２０Ｍｂｐｓ的比特率經過１００英尺電纜傳輸后，信號幅度為１１０ｍＶ，幅度大約為ｔＭＪ規定的３００ｍＶｐ－ｐ的三分之一。此外，ｔＴＪ為１０２０ｐｓ?抖動占１９２３ｐｓ單位間隔（ｔＵＩ＝１／５２０Ｍｂｐｓ）的一半以上。可見，在此條件下得到的無誤碼測試結果為數據表１中的指標提供了一定的測試裕量。
另外，根據測試結果也可預測ＢＥＲ。假設串行數據序列中任何一位發生誤碼的概率相同，而且各位發生誤碼事件是獨立的。如果設ＢＥＲ為ｑ，而串行數據序列可看作參數為ｑ的Ｂｅｒｎｏｕｌｌｉ試驗模型，則發送比特數ｎ時的ｎ位序列無誤碼概率公式如下：
Ｐｎｏｅｒｒｏｒ＝（１－ｑ）ｎ
這樣，若采用１００英尺電纜來無誤碼發送超過１．７３×１０１３位的數據，則在ＢＥＲ的ｑ值低于３．０×１０－１３時，由上式計算出的Ｐｎｏｅｒｒｏｒ為０．００５６。由此可知，當ＢＥＲ為３．０×１０－１３或更高時，對于一個１．７３×１０１３的比特流提供無誤碼傳輸的概率為０．００５６。從統計意義上說，如果無誤碼傳輸一個１．７３×１０１３位的序列，則ＢＥＲ＜３．０×１０－１３，這一假設成立的概率為９９．４４％。
這一結論是在１００英尺的電纜長度、信號質量較差的條件下得到的。當電纜長度較短、信號質量較高時，還可獲得更高的鏈路可靠性。
４結論
本文通過ＢＥＲ測試驗證了ＭＡＸ９２０５／ＭＡＸ９２０６和ＭＡＸ９２０７／ＭＡＸ９２０８串行－解串器利用不同長度的低成本ＣＡＴ－５Ｅ電纜傳輸數據時的可靠性。結果表明即使在信號退化的情況下，ＢＥＲ低于３．０×１０－１３時的可信度仍然高于９９％。同時測試結果還表明：數據表中給出的最大抖動限制是比較保守的估計，它足以保證鏈路的高可靠性。
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