MAX9247/MAX9218串行器/解串器芯片组的性能测试

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21492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 Transmitted by the Serial Link in Ten Minutes	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。

参考文献

1. Maxim的高速互连设计指南
2. MAX9247数据资料
3. MAX9218数据资料