Maxim GMSL SerDes器件的預加重和均衡

引言

隨著視頻應用的快速發展，數據傳輸流量正以指數級迅猛增長，迫切需要更高的數據傳輸速率。因此，低成本雙絞線（TP）也逐漸受到人們的特別關注。而TP電纜的高頻衰減是限制其應用性能的主要因素，高頻衰減造成接收信號出現明顯的碼間干擾（ISI），進而難以恢復時鐘和數據，導致誤碼率（BER）升高。從圖1可以看出發送信號在到達接收器之前被電纜衰減的結果。發送器和接收器采取一定形式的線路均衡，可大幅降低ISI并恢復嚴重劣化的數據，確保可靠工作。

Maxim GMSL產品中的3.125Gbps高速收發器允許系統設計人員動態調整實際電纜的均衡電平，提供可靠的通信鏈路。發送器和接收器均具有均衡調節，可獨立或配合設置，以延長數據傳輸距離。靈活的均衡調節允許使用各種低成本有損電纜。

本應用筆記介紹如何利用Maxim GMSL產品和有損電纜構建可靠的通信鏈路。本文簡要介紹了線路均衡技術。

GMSL發送預加重和接收均衡

GMSL鏈路采用發送預加重和接收均衡補償傳輸損耗。

發送預加重

如果在接收器端沒有采用均衡，數據線在連續出現一串“1”后，發送高頻“0”脈沖時可能無法恢復到信號擺幅的中間位置，如圖2所示。圖中解釋了如何通過加重跳變沿、去加重“非跳變沿”，最終克服高頻衰減問題。

導體和介電損耗使得電纜的傳遞函數表現為低通濾波，如圖3所示。利用均衡（高通傳函曲線），可在相應頻帶獲得平坦（均勻衰減）的系統頻響特性。

合理使用均衡技術，可以在下列三個方面改善系統設計：電纜長度；電纜類型；最大系統數據速率。

例如，采用6dB預加重后，可以打開在10m電纜末端完全關閉的眼圖。

根據MAX9259數據資料，可由寄存器0x05中的D[3:0]設置預加重電平，用戶可按照表1設置預加重電平。預加重負電平表示不加重高頻，而只是去加重低頻的情況。注意，增益過大時可能造成抖動增大。

以下討論如何使用發送器和接收器均衡，并以表格形式給出測試數據。

接收均衡

接收均衡的基本思路如圖5所示，有損鏈路以近似一階的傳函特性衰減正向通道數據，鏈路傳輸特性的帶寬遠遠低于數據頻率（數據頻率f等于碼率的一半）。碼間干擾會引起確定性抖動；此外，經過遠距離長線傳輸后，到達有損電纜末端的信號眼圖可能完全閉合。為了補償這種損耗，數據首先通過一個傳遞函數進行處理，理想情況下，該傳遞函數應該是與電纜傳輸特性相反的傳輸函數。這樣，當鏈路和均衡器級聯后，可以獲得足夠的帶寬。GMSL解串器中采用12級可編程增益，防止不同電纜長度下出現下沖（增益過?。┗蜻^沖（增益過大）。增益可設置為在2dB至13dB之間12個不同放大倍數。

圖6所示為不同增益設置下的接收器傳輸函數（交流特性）；圖7所示為10m STP電纜通道和均衡接收器共同作用下的傳輸函數。圖中不同增益電平的響應特性有所重疊。增益設置為8倍（9.4dB）時，總體等效傳輸特性在工作頻段非常平坦。圖8給出了經過10m STP電纜傳輸后，接收器的輸入、輸出眼圖。從圖中可以看出，均衡器打開了完全閉合的眼圖。

總體傳函不平坦時，會發生什么？就ISI抖動而言，過沖造成的危害通常低于下沖。如圖9所示，增益下降到最佳值以下時，輸出抖動迅速增大。相反，增益增大到最佳值以上時，抖動增大得比較緩慢。

選擇最佳的預加重和均衡器設置

您可能不想用頻譜分析儀測量電纜損耗。這種情況下，為了選擇最佳的預加重/均衡器設置，最簡單的方法是觀察一定頻率下的系統誤碼率。以下提供了兩個實際實例，供設計人員參考。

表2中，我們匯總了SerDes對（MAX9259/MAX9260或MAX9249/ MAX9268等）通過10m電纜傳輸視頻數據時所能支持的最大像素時鐘。表格中的每一欄列出了不同Rx均衡器的增益，每一行對應于不同的Tx預加重值。當傳輸介質得到適當均衡后，SerDes能夠支持124MHz的傳輸速率。增益最小值為14.1dB（1.1dB預加重、13dB Rx均衡）的情況下，即可工作在124MHz的速率?？傇鲆娉^18.2dB（14dB預加重、4.2dB Rx均衡）時，ISI則開始增大，從而限制了工作頻率。因此，選擇14.1dB至18.2dB的總增益比較合理。由于Rx均衡器具有固定的低頻增益，而Tx通過衰減低頻實現預加重，我們建議選擇 Rx增益較大的部分。衰減低頻意味著整個鏈路的信號電平較低，使得接收器工作更困難。因此，我們傾向于選擇3.3dB預加重、13dB Rx增益。上述分析對于15m電纜上的數據傳輸同樣適用。不同增益下的最大工作頻率如表3所示。最小、最大增益設置分別為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），所以8dB預加重和13dB Rx增益為最佳選擇。

鏈路有效信號檢測

GMSL解串器帶有信號檢測器，當鏈路上沒有有效信號時，可以禁止接收器工作。當信號電平經過長電纜傳輸或者在較高預加重電平的作用下變得非常低時，解串器可能檢測不到有效的鏈路信號。因此，當傳輸電纜較長時（>10m），建議禁止有效信號檢測器，并搜索最佳預加重和均衡器設置。向解串器的第11字節寫入“0x80”，禁用檢測器工作。選擇最佳值后，在相同字節寫入“0x20”，則再次使能信號檢測功能。根據實驗室測量結果，電纜長度為15m、最大PCLK頻率為104.16MHz時，有效信號檢測器可以工作在高達8dB的預加重配置。有效信號檢測器還具有下限選項，在第11字節寫入“0x00”進行設置。根據我們的實驗室測量結果，選擇下限時，如果電纜長度為15m，有效信號檢測器可以工作在高達14dB的預加重。如果電纜長度超出15m，預加重為14dB，建議禁止有效信號檢測器。這些測量中，所使用的電纜為標準的汽車STP電纜。