Maxim GMSL SerDes器件中的預加重和均衡簡介

發(fā)送預加重和接收均衡允許串行器/解串器（SerDes）器件在廉價電纜或長距離上運行。本應用筆記描述了信號如何通過電纜降級以及如何補償這種降級。此外，本文檔還介紹了在使用有損電纜時如何與Maxim千兆多媒體串行鏈路（GMSL）產品實現可靠的鏈路。本文還概述了線路均衡。

視頻應用的最新進展以及數據流量的指數級增長提高了對更高數據速率的需求。因此，低成本雙絞線（TP）電纜引起了人們的特別關注。然而，這些TP電纜長時間運行的頻率相關衰減是其最佳使用的主要限制因素。這種頻率相關的衰減會在接收信號中造成明顯的碼間干擾（ISI），這反過來又給時鐘和數據恢復帶來了困難，并導致更高的誤碼率（BER）。圖1顯示了在信號到達接收器之前被電纜降級的傳輸信號的表示形式。通過顯著降低ISI并恢復嚴重降級的數據，發(fā)射器和接收器可以采用某種形式的線路均衡來實現可靠操作。

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)設計人員動態(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整功能，可以單獨或一起編程以延長傳輸距離。這種靈活的均衡調整允許使用各種低成本有損電纜。

本應用筆記解釋了如何設計與Maxim GMSL產品和有損電纜的魯棒鏈路。它還概述了線路均衡。

GMSL 發(fā)射器預加重和接收器均衡

GMSL鏈路采用發(fā)射器預加重和接收器均衡來補償傳輸損耗。

變送器預加重

當接收器端未施加均衡時，高頻“0”脈沖在連續(xù)“1”后可能無法達到信號擺幅的中間電平，如圖2所示。該圖說明了如何通過強調轉換和不強調“無轉換”來克服頻率相關衰減。

圖2.時域預加重濾波。

由于導體和介電損耗，電纜具有低通傳遞函數，如圖3所示。通過利用均衡（高通傳遞曲線），可以在所需頻率范圍的帶寬內獲得平坦（均勻衰減）的系統(tǒng)頻率響應。

圖3.頻域預加重濾波。

有效使用這種均衡技術將影響三個主要系統(tǒng)設計參數：

電纜長度

電纜類型

最大系統(tǒng)數據速率

例如，10m 電纜末端的完全閉合眼圖可以通過 6dB 預加重合理打開（圖 4）。

更詳細的圖像 （PDF， 1.3MB）

圖4.10m 電纜后 3.125Gbps 數據：（a） 無與 （b） 6dB 預加重。

如MAX9259數據資料所述，預加重電平由寄存器地址0x05 D[3：0]設置。用戶可以根據表1對預加重電平進行編程。負預加重電平對應于不強調高頻項，但僅取消強調低頻項的情況。同樣重要的是要注意，過度升壓會導致時序抖動略有增加。

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，以及表格測試數據。

接收器均衡

接收器均衡背后的基本思想如圖5所示。有損鏈路通過近似的一階傳遞函數衰減前向信道數據，該函數的帶寬遠低于數據頻率（數據頻率，fb，等于比特率的一半）。由于符號間干擾，這會導致確定性抖動。此外，對于長電纜，這種有損電纜末端的眼圖可以完全關閉。為了補償這種損失，首先通過傳遞函數處理數據，理想情況下，傳遞函數是電纜傳遞函數的倒數。因此，當鏈路和均衡器級聯(lián)時，可以獲得足夠的帶寬。在GMSL解串器中實現了12級可編程增益方法，以防止不同電纜長度的升壓不足或過度升壓。增益可以設置為12個不同的升壓級別，范圍從2dB到13dB。

圖5.通過在接收器內應用通道傳遞函數的倒數來均衡數據。

不同升壓設置下的接收器傳遞函數（交流特性）如圖6所示。10m STP 電纜的通道加接收器傳遞函數如圖 7 所示。此圖中疊加了不同的提升級別。當升壓字為8 （9.4dB）時，整體傳遞函數在目標頻率范圍內變得最大平坦。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完全閉合的眼睛。

如果整體傳遞函數不平坦，會發(fā)生什么情況？就ISI抖動而言，過度升壓比欠升壓危害小。如圖9所示，當升壓電平降至最佳值以下時，輸出抖動會迅速增加。相反，當升壓電平增加到最佳點以上時，抖動會緩慢增加。

圖6.均衡器交流特性和不同調諧字的增益提升。

圖7.電纜和均衡器的交流響應（級聯(lián)）適用于 10m STP 電纜的不同升壓級別。

圖8.升壓最佳時 10m 電纜的接收器輸入和輸出眼圖。

圖9.10m 電纜的峰峰值 ISI 抖動與提升增益的關系。

選擇最佳預加重和均衡器設置

也許您不想用頻譜分析儀測量電纜損耗。在這種情況下，選擇最佳預加重/均衡器設置的最簡單方法是查看系統(tǒng)在極限頻率下的誤碼率。這里將提供兩個真實案例作為示例。

在表2中，我們總結了SerDes對（如MAX9259/MAX9260或MAX9249/MAX9268）使用10米電纜工作的最大像素時鐘頻率。每列顯示不同的 Rx 均衡器升壓增益，而每行對應于不同的 Tx 預加重值。當傳輸介質正確均衡時，被測SerDes對的工作頻率高達124MHz。它達到124MHz，最小總升壓為14.1dB（1.1dB預加重和13dB Rx均衡）。在總升壓超過18.2dB（14dB預加重和4.2dB Rx均衡）后，ISI再次開始增加，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，因為Rx均衡器具有恒定的低頻增益，而Tx衰減低頻以實現預加重。衰減低頻意味著鏈路上的信號電平較低，這使得接收器的生活更加困難。因此，3.3dB預加重和13dB Rx升壓將是一個不錯的選擇。同樣的程序也可以應用于15米的電纜。表3總結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預加重和11.7dB Rx均衡）和23.4dB（14dB預加重和9.4dB Rx均衡），因此8dB預加重和13dB Rx升壓是最佳選擇。

更詳細的圖像 （PDF， 54KB）

鏈路活動檢測器

GMSL解串器具有信號檢測器電路，當鏈路上沒有信號時，該電路將禁用接收器。當由于長電纜或高預加重電平而導致信號電平非常低時，解串器可能無法檢測到鏈路上的活動。因此，強烈建議禁用活動檢測器，同時搜索長電纜（> 10m）的最佳預加重和均衡器設置。可以通過將“0x80”寫入解串器的字節(jié) 11 來禁用檢測器。選擇最佳值后，可以通過將“0x20”寫入同一字節(jié)來再次啟用它。根據我們的實驗室測量，活動檢測器在最大PCLK頻率104.16MHz下對15m電纜進行高達8dB的預加重工作?；顒訖z測器還有一個低閾值選項。它可以通過將“0x00”寫入字節(jié) 11 來編程。根據實驗室測量，當選擇低閾值時，活動檢測器對 15m 電纜的預加重工作高達 14dB。如果電纜長度超過15m且預加重為14dB，建議禁用活動檢測器。這些測量中使用的電纜是標準的汽車STP電纜。

審核編輯：郭婷