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MAX9247/MAX9218串行器/解串器芯片组的性能测试
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摘要：高速串行化数据连接已广泛用于网络、服务器和3G基站中的视频显示、数码相机和背板数据传输。Maxim为串行收发链路开发了各种产品，本应用笔记讨论了典型的串行器和解串器(SerDes)芯片组(MAX9247和MAX9218)在不同的电缆类型、电缆长度和数据速率下的性能。所得结论可以作为高速串行数据互连的应用指南。
概述
Maxim的高速串行器、解串器(SerDes)产品已经应用于汽车、网络、服务器和3G基站中的视频、图像和数据传输。MAX9247串行器与MAX9218解串器构成一对儿典型的具有嵌入式时钟的单通道LVDS链路。该链路的最高串行数据速率可达800Mbps。
本应用笔记讨论了该数据收发链路在不同电缆类型、电缆长度和数据速率情况下的的性能以及采用Maxim专有的预加重技术和线路均衡技术所带来的性能改善。同时为了满足汽车应用中恶劣环境的要求，该串行器/解串器(SerDes)芯片组在-40°到+105°C温度范围内进行了测试。
测试装置
测试装置包括一台Agilent ParBERT 81250测试仪，TDS784C 1GHz数字示波器，TEK P6247差分探针和MAX9217/MAX9218评估板，Agilent 81250是并行误码率测试仪(BERT)。这些器件的连接方式如下图所示(图1)。
图1. MAX9247和MAX9218的性能测试装置
MAX9247有27位并行数据输入，其中18位是RGB视频数据输入，9位是控制输入。LVDS串行链路的数据速率为并行数据速率的20倍，包括2个附加位。Agilent 81250的前9个输出通道连接至前9个RGB输入端(RGB_IN0到RGB_IN8)。前9个通道的反向输出连接到剩余的9个RGB输入端(RGB_IN9到RGB_IN17)，误码率测试仪(BERT)只检测RGB数据。ParBERT的每一个输出通道的数据序列是独立产生的、在长度内无重复的伪随机序列比特流，RGB数据序列的长度是1370位。在1370位之后加一个20位的时间间隔作为控制周期。所有的控制位(CNTL_IN0到CNTL_IN8)通常被设置为0。图2所示为数据结构。这个1390位的并行数据格式在测试中重复出现，信号DE_IN交替改变RGB数据周期和控制周期。
图2. 测试数据的序列结构
测试条件和测量结果
我们测试了3对儿双绞电缆，如下表所示。
表1. 测试的电缆类型
| Manufacturer | Part Number | Length(M) | Comments |
| NISSEI | SIODIC F-2WME, AWG26 | 10, 20, 30 | Shielded |
| SIODIC F-2WME, AWG28 | 10, 20, 30 | ||
| General Cable | CAT5E, AWG24 | 10, 20, 30 | Unshielded |
| JAE | MX38 | 20 | Shielded |
为了测试串行器/解串器(SerDes)芯片组的性能和电缆长度与数据速率的关系，我们观察了不同电缆长度的误码率(BER)，并记录了10分钟之内无误码时的最高并行数据速率。数据速率的增量是1Mbps。我们用这种方法测量性能主要基于LVDS SerDes收发器的两方面考虑：第一，如果10分钟内没有误码的话，那就很有可能在几个小时内也不会出现误码；第二，即使在速率非常低的情况下也能在十分钟内观察到误码的话，那么微小的数据速率增量(<0.5Mbps)也将造成解串器上的DE_OUT信号失锁。因此，我们的方法是考虑了测试时间和测试可靠性的一个合理的折衷方案。所以，我们可以假设，在某一特定数据速率下，若十分钟内没有误码发生，那么链路的误码率(BER)小于10-10或10-11。根据统计，我们可以用式1计算这个假设的置信度：
其中，N是在观察周期内(例如10分钟)通过串行链路传输的比特数，p是假设的误码率(BER)。表2所示是对不同数据速率的置信度。
表2. 10分钟内观察到的置信度和数据速率的关系
| Parallel Data Rate(Mbps) | Number, N, of Bits | Confidence Level of p | |
| BER < 10-10 | BER < 10-11 | ||
| 10 | 12 x 1010 | > 99.999% | 69.88% |
| 20 | 24 x 1010 | > 99.999% | 90.92% |
| 30 | 36 x 1010 | > 99.999% | 97.27% |
| 40 | 48 x 1010 | > 99.999% | 99.18% |
测试结果
表3所示是在不同的电缆类型、电缆长度和数据速率，以及预加重功能和LVDS均衡器使能或禁止情况下得到的性能。预加重功能集成在MAX9247内，将评估板上跳线JP15设置为高电平即可将其使能。专有的LVDS均衡器放置在MAX9247的LVDS输出端，如图1所示。欲知均衡器的实现细节，请联系Maxim的应用技术支持。表3中的所有数据都是在室温下测试得到的。30m NISSEI AWG26电缆在扩展级温度范围内的测试结果如表4所示。
表3. 在不同条件下测试所得的SerDes收发器的可靠数据速率
| Cable Type | Pre-Emphasis | LVDS Link Equalizer | Maximum Reliable Serial Data Rate (SDR) | |||||
| Cable Length | ||||||||
| 10m | 20m | 30m | ||||||
| PCLK (MHz) | SDR (Mbps) | PCLK (MHz) | SDR (Mbps) | PCLK (MHz) | SDR (Mbps) | |||
| NISSEI AWG26 | Off | Off | 34 | 612 | 25 | 450 | 15 | 270 |
| On | Off | 40 | 720 | 27 | 486 | 17 | 306 | |
| Off | On | 38 | 684 | 34 | 612 | 30 | 540 | |
| On | On | 43 | 774 | 39 | 702 | 35 | 630 | |
| NISSEI AWG28 | Off | Off | 33 | 594 | 16 | 288 | 8 | 144 |
| On | Off | 36 | 648 | 23 | 414 | 10 | 180 | |
| Off | On | 35 | 630 | 33 | 594 | 23 | 414 | |
| On | On | 41 | 738 | 37 | 666 | 28 | 504 | |
| General Cable CAT5e | Off | Off | 38 | 684 | 26 | 468 | 16 | 288 |
| On | Off | 42 | 756 | 28 | 504 | 18 | 324 | |
| Off | On | 38 | 684 | 35 | 630 | 32 | 576 | |
| On | On | 44 | 792 | 42 | 756 | 36 | 648 | |
| JAE MX38 | Off | Off | 16 | 288 | ||||
| On | Off | 24 | 432 | |||||
| Off | On | 35 | 630 | |||||
| On | On | 40 | 720 | |||||
表4. 在扩展级温度范围内测得的SerDes收发器的可靠数据速率(*)
| Cable Type | Maximum Reliable Serial Data Rate (SDR) | |||||
| Temperature | ||||||
| -40°C | 25°C | 105°C | ||||
| PCLK (MHz) | SDR (Mbps) | PCLK (MHz) | SDR (Mbps) | PCLK (MHz) | SDR (Mbps) | |
| NISSEI AGW26, 30m | 36 | 648 | 35 | 630 | 31 | 558 |
*注：在这个测试中，预加重功能和LVDS均衡器都为使能状态。
下面的眼图是在解串器的LVDS输入端口记录下来的。这些图形显示了解串器对失真符号的数据恢复能力。我们同样可以在眼图中看出LVDS链路均衡器对信号的显著改善。
图3. NISSEI AWG26电缆，20m长，速率为702Mbps，启用预加重功能和均衡器
图4. NISSEI AWG26电缆，30m长，速率为630Mbps，启用预加重功能和均衡器
图5. NISSEI AWG26电缆，30m长，速率为306Mbps，启用预加重功能
图6. NISSEI AWG26电缆，30m长，速率为306Mbps，启用预加重功能和均衡器
总结
由表3和表4所示结果，我们可以得出以下结论：
- 虽然CAT5E非屏蔽电缆的性能比其它两种类型的电缆好，但是它在应用中会有电磁干扰(EMI)的问题。
- 预加重和LVDS均衡有助于改善链路性能。预加重可为短程电缆提供更大的幅度提升，而均衡器对长电缆的改善更有效。对于30m的电缆，均衡器可以使其数据传输速率翻倍。
- 在扩展级温度范围内的性能差异相对很小。
- 电缆的线规会制约性能。推荐使用优于AWG28的电缆。
