预加重功能不但可以延长低电压差分信号传输(LVDS)电缆的传送距离,而且可使设计者采用成本更低但损耗较高的电缆,使系统成本得以进一步降低。本文通过介绍一种建模方法阐述了如何取得超5类线(CAT5e)及其它类型电缆的损耗曲线,并以支持预加重功能的LVDS芯片组驱动CAT5e电缆为实例,讨论了如何估算这款芯片组驱动其它类型电缆时的性能表现。
图1:三种电缆的衰减与频率函数关系。
预加重是一种过驱动输出的技术,不但可为高频电缆的损耗提供补偿,而且也可加强电缆及背板的数据传送能力,使系统可以支持更长距离的传送。对于采用低成本电缆的系统来说,即使加设LVDS芯片及其它高速接口芯片,也无法支持长距离的信号传送(传送距离最高只可达几米)。若采用性能较高、损耗较低的电缆,传送距离当然可以延长,但系统的成本可能会大幅增加。我们只要采用目前市场上出售的LVDS芯片,再加上预加重功能的支持,便可提高高频增益,增幅甚至可高达7dB,使工程师设计新系统时可以采用较长或成本较低廉的电缆。
铜线线缆的传送特性
很多系统设计工程师都会面对以下这个问题:若利用铜线线缆传送数据,如何才可确定所用铜线的最长传送距离及最高传送速度。由于铜线本身的特性对其传送信号的能力有很大的影响,因此必须先了解铜线的特性,才可为这个问题找到一个确定的答案。衰减或损耗是电缆的一个重要特性。电缆的损耗来自两方面:即趋肤效应及电介质所造成的损耗。趋肤效应与频率的平方根成正比,而电介质所造成的损耗则直接与频率成正比。以电介质所造成的损耗为例来说,由于损耗直接与频率成正比,因此频率高达千兆赫或以上时,大部分损耗都由电介质造成。因此,即使采用直径较大的导线,也只会减低趋肤效应损耗,但对于高速传送的数据来说,粗大的导线对提高这类信号的质量根本没有太大的帮助。
图2:10-12误码率测试中CAT5e电缆最高数
据传输率与电缆长度之间的函数关系。
当频率提高至千兆赫或以上时,便不能忽略串扰的影响,甚至可以说串扰问题越来越需要重视。对于由多条导线或多对双绞线组成的电缆来说,由于电缆内不同数据传送通道的隔离效果并非这么理想,因此对这类电缆来说,串扰便成为迫切需要解决的问题。此外,电缆套件的连接器可能会受串扰影响,以致造成较大的信号损耗。连接器内的导线会产生电磁场,这些电磁辐射会与连接器的相邻双绞线内的导线耦合一起。印刷电路板的相邻连接器双绞线所采用的通孔也会出现这种耦合情况。以多通道电缆为例,若电缆进行双向的信号传输,即使驱动器以最高振幅驱动信号,另一端的接收器也只能接收到微弱的信号,因为电缆会出现传输损耗,将信号大幅减弱。较强的本地驱动器会带来近端串扰,进一步影响本已微弱的接收信号,导致信噪比很差。驱动器预加重功能以及接收器均衡功能都无法为提供串扰补偿。因此,要确保系统能支持多通道数据传输,系统设计工程师必须采用带屏蔽的双绞线电缆及低串扰连接器。
图1的曲线图显示采用LVDS接口芯片的三种常见电缆各有不同程度的衰减:
1．Belden 1700A属于CAT5e类100((差分模式)24AWG无屏蔽双绞线(UTP)电缆,广泛用于数据通信系统之中。
2．Belden 7851A属于较高级的6类线(CAT6)双绞线电缆。虽然在结构上这类电缆与超5类电缆大致相同,但电缆的每条导线都有自己的屏蔽,因此串扰较少,只是导线稍微粗一点(23AWG)。
图3:以840Mbps速度传送、
未经预加重的SCAN921821眼图。
3．由多对双绞线组成的双轴电缆是专为千兆位以太网及光纤通信等应用而设计的多导线电缆,有多种不同直径可供选择(21至30AWG)。Amphenol SkewClear及MadisonTurboQuad电缆都属于这一类。
为电缆特性建立模型
电缆供应商通常都会提供有关电缆损耗特性及表现模式的资料。此外,只要有电缆的样品在手,我们也可在实验室内找出有关电缆的衰减特性。可供采用的测试方法有多种,但最准确的方法是利用向量网络分析器(VNA)找出其S参数。如果没有向量网络分析器,我们也可利用带有TDR模块或甚至带有信号发生器的示波器进行时域测量。以某一已知电缆长度及正弦曲线频率为例来说,发射信号及接收信号的振幅比率应该等于信号衰减。若采用这个方法,我们便需要就不同频率及电缆长度的数据进行大量实验,这可能要耗费大量时间。
为了节省实验时间,我们可以考虑为电缆建立w参数的SPICE基准测试模型。TDA Systems IConnect软件可以利用TDR模块为电缆样品进行测试,然后利用测试数字建立w参数的SPICE基准测试模型。IConnect软件将电缆的TDR步进响应与原有的TDR步级加以比较,然后计算其w参数模型。以下是3米长的CAT5e电缆的w参数示例:
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*3米长CAT5e电缆的HSPICE仿真模型
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*格式:W参数
*语法:HSpice
.subckt cat5e3m port1 port2 port3 port4 gnd_
W1 N=2 port1 port3 gnd_ port2 port4 gnd_ RLGCMODEL=cat5e3m_Model L=1.0
图4:根据衰减数据绘制的最高数
据传输率与电缆长度之间的函数曲线图。
.MODEL cat5e3m_Model W MODELTYPE=RLGC N=2
+ Lo=3.19e-006 2.48322e-006 3.19e-006
+ Co=1.6908e-010 -1.35796e-010 1.6908e-010
+ Ro=0 0 0
+ Go=0 0 0
+ Rs=0.00084 0 0.00084
+ Gd=3.21333e-013 0 3.21333e-013
.ends
只要为电缆建立一个良好的w参数模型,便可进行仿真,获得电缆的衰减数据。我们利用以上示例所提供的CAT5e电缆w参数的SPICE模型进行模拟测试,获得表1所列的仿真数据。仿真结果显示,基于测量的模型与电缆供应商所提供的模型有很好的相关性。
利用LVDS驱动器驱动电缆实例
图5:进行预加重:7dB的预加重可以完全开启眼图,
显示信号以1.32Gbps的传输速度在CAT5e
电缆上传送了20米的情况。
取得有关不同电缆的不同特性的数据之后,便可利用某一电缆进行LVDS传输,然后利用实验取得的真实数据与其它类型电缆比较,估计这些电缆在有及没有预加重的支持下,会出现什么程度的信号损耗。
可以利用电缆长度与数据传输率的函数关系确定真正的数据传输率,这种方法称为误码率测试(BERT)法,是目前最常用的测试方法。图2的曲线显示了通过BERT测试得到的“电缆长度与传输速度之间的函数关系”,该测试采用美国国家半导体的18位SCAN921821串行器及DS92LV18解串器分别驱动不同长度的CAT5e电缆。
图2显示只要传输速度超过1Gbps,CAT5e电缆的损耗在很大程度上限制了电缆性能的提升,除非采用预加重为有关损耗提供补偿。按照有关规格的规定,CAT5e电缆的带宽为350MHz,以上的测试结果并不令人感到意外,因为以1Gbps与“1010”交替运行的模式来说,频率可达500MHz(因为两位或“10”构成一个时钟周期),1Gbps的PRBSNRZ信号理论上必须采用带宽高达500MHz的电缆套件,除非获得预加重功能的支持。以上数据显示电缆产品的实际表现可能优于理论上的表现。若以此为基础作比较,例如比较图1及图2的数据,我们便可估计这款芯片组在驱动其它类型电缆时的性能表现。图2显示15米电缆的传输速度最高可达840Mbps。我们只要参照图1,取CAT5e电缆在420MHz时的dBm值,便可将这一电缆与其它电缆的损耗一一加以比较,以便估算出传送这一信号的电缆其长度不可超过哪一个最高极限。
图3显示SCAN921821输出的信号的眼图,以及同一信号在CAT5e电缆传送了15米之后的眼图。该信号是840MbpsPRBS的信号,而且没有经过预加重。
另一需要留意的现象是,时钟的振幅由464mV降至245mV,因此根据计算,若以840Mbps(420MHz)速度传送信号,而该信号传送了15米之后,电缆会出现-5.5dB的衰减。我们可以利用这个计算出来的衰减数字,估算电缆的最高数据传输率,对于任何长度及类型的电缆来说,其最高数据传输率是电缆长度的一个函数。只要采用5.5dB这个测量数字作为基准,上文提及的三种电缆的最高数据传输率便可根据这个速率与电缆长度之间的函数关系计算出来。图4详列有关数据。
表1:仿真数据。
必须注意,图4的曲线只是根据衰减数据绘制而成,上述函数曲线并没有将其它的电缆参数如串音干扰及回损等计算在内。除了电缆损耗之外,连接器、印刷电路板走线以及芯片输入/输出块寄生无源元件都会产生损耗,因此设计线路时要为这些损耗预留多一点空间。
利用预加重功能延长传送距离
电缆本身的极限一经确定之后,我们便可根据公式:d=(PE[dB]/(a[dB/单位长度],为任何已知其类型及衰减特性的电缆估算其传送距离,换言之,若预加重功能的强度逐级增加,每级的增量可将电缆的传送距离延长多少便可利用上述公式计算出来。有关的计算其实非常容易。在上述公式内,d是指延长的传送距离,(PE是指以dB为单位的预加重强度,而(a是指每一单位长度出现的电缆衰减。例如,若传输速度为1.2Gbps,6dB预加重可将CAT5e电缆的传送距离延长达:6dB/[60dB/100m]=10m。这个预加重的强度可以将CAT5e电缆的传输距离延长,而且延长后的实际传输距离绝对不逊色于更为昂贵的双轴电缆。
图5显示预加重功能为电缆损耗提供的补偿究竟有多大成效。只要将SCAN921821芯片的预加重设定至最高值,打开眼图,就显示信号以1.32Gbps传输速度在CAT5e电缆上传送了20米的情况。
虽然预加重为电缆损耗进行补偿之后,便可打开眼图,但由于预加重的摆幅较大,以致可能会产生更多串扰,因此如果利用同一电缆套件传送多条信号流,便可能需要采用带屏蔽的双绞线电缆以及串扰较低的连接器。
作者:Davor Glisic
资深应用工程师
美国国家半导体公司
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