基于眼图和抖动的LVDS传输分析(译文)

信息与计算科学杂志11:6(2014)1795-1802014年4月10日获取网址：传输分析(译文)YongruiLiu,WenyiLiu,ChengfangZhen.clq电子测量技术国家重点实验室，中国北方大学030051太原，中国摘要LVDS(低电压差分信号)广泛应用于高速数据通信和图像传输,但AC耦合传输过程中会使连续传输的“0”或“1”信号失真。解决交流耦合中的失真问题的一个有效的解决方案就是通过使用8B/10B编码实现直流平衡。本文阐明了8B/10B编码的设计方法以及眼图和抖动分析理论。然后列出了仿真结果以及实际的传输和接收的数据。文章通过眼图和检测信号抖动来分析编码信号质量。然后把分析的结果和实际测试结果进行比较。最后，它证明了信号质量确实得到了改进。关键词LVDS；8B/10B编码；眼图；抖动；AC耦合；DC平衡1介绍因为伴随着数据传输速度的提升数据传输的容量不断提高，信号传输的质量问题吸引了越来越多的关注。在图像传输和数据通信领域，LVDS传输技术是一种得到广泛应用的高速串行技术。LVDS是一种以恒定3.5mA电流传输数据的低电压差分信号。因为接收机的输入阻抗很高，整个电流事实上完全加在负载电阻上(100Ω)。最后在接收机输入端它产生350毫伏的电压。当电流的方向改变,在接收机输入端形成相同的电压振幅和相反的极性[1]。由于使用差分线路，两个相邻输电导体中的电流大小是相同的,但方向相反。所以它产生非常低的EMI并且可以消除共模干扰。因为是交流耦合的LVDS信号传输，为了避免交流耦合的问题我们需要使用直流平衡编码的方式来进行高速信号传输。8B/10B编码是实现直流平衡的非常好的方式。作为一种直观并且快速的信号质量检测方法，眼图分析方法可以用于分析串行信号抖动和误码率。本文中,基于眼图理论和抖动情况，测试传输之前和传输之后的8B/10B编码的LVDS信号。本文从抖动的角度，证明了8B/10B编码能够实现直流平衡，且有效改善信号的质量。2交流耦合和直流平衡LVDS传输过程通常采用交流耦合技术，就是一个电容器被放在差分信号路径终端。一个标准的终端负载电阻可以使设备工作在不同直流电压下。交流耦合电容器可以阻隔所有直流分量的信号[2]。交流耦合可以减小两层电路板对地的电位而差产生的影响。因为如果电缆连接的硬件对地存在电位差，相应的电压差会影响差分信号。它甚至会导致可靠性出现问题,交流耦合可以有效地消除直流电位差。由于电容的存在，只有当信号状态发生变化时,电流才能流入接收器。如果信号是连续的0或1,接收方会慢慢稳定到一个测量值，实际上电容扮演的角色是一个高通滤波器。因此,在交流耦合系统中，直流平衡的方法应该被使用。这种方法用一组数据来表示一定数量的连续的0和1。这样就不会出现长时间连续0或1的一行数据出现在电容的两端。它可以提高噪声容限和信号质量[3]。8B/10B编码中使用这种设计实现直流平衡。3测试平台的搭建测试平台的结构设计如图1所示。发射端口包括FPGA芯片和LVDS芯片。发送部分发送的数据是递增数。接收部分用于接收主板上的FIFO控制信号。当FIFO已满,传输板发送无效的数据(0000011111)。主板包括FPGA，LVDS芯片，USB芯片(CY7C68013)。FPGA控制LVDS接收递增数据,数据进入FPGA内部的FIFO(IP核)。当FIFO半满时,CY7C68013开始从FIFO移动数据,通过USB接口传到电脑。当FIFO充满时，FPGA将发送一个LVDS信号到主板上。它将会生成一个无效的数据。图1测试平台设计框图4数据结构和编码设计4.1数据结构在这个实验中,使用递增的十六进制数作为有效的测试数据。数据帧格式为EB(帧头)90(帧尾),数据递增(00~f9),和4字节的帧计数(00000000FFFFFFFF)，总计是256字节。因为使用10位LVDS芯片,将“10”加在每一个8位有效数字之前(10xxxxxxxx)。无效的数据表示为“0000011111”。FPGA数据最高位是“10”的保留,并且将低8位保存到FIFO中(IP核)，舍弃无效数据。4.28B/10B编码设计高速串行信号的产生需要在发送前进行数据编码。图28B/10B编码转换图8B/10B编码方式的运行差异(RD，数据中“0”减去“1”的数目)为+2.0或者-2。在10B编码中，如果0的数量超过1的数量大于2，它被定义为RD+。如果1的数量超过0的数量大于2，它被定义为RD-。如果0和1的数量是相等的,那么就是完美的平衡态。代码被分为控制-RD编码，RD+编码，和RD-编码。控制-RD编码部分的功能是控制RD-和RD+之间的转换。这使得最多两个连续10B编码后运行差异就会变成0。图3是一个控制转换的原理图。在RD-状态,如果0和1的数量相等，这是一个完美的平衡态，并且状态会保持不变。相反,如果0的数量超过1的数量大于2，就会进入RD+状态。在RD+状态,如果0和1的数量相等，这是一个完美的平衡态，并且状态会保持不变。相反,如果1的数量超过0的数量大于2，就会进入RD-状态。图3编码状态转换原理图在RD+和RD-状态，有8B编码表。它分为3B/4B和5B/6B。在5B/6B的转换中，只有32种类型的关系。硬件描述语言(VHDL)使用的方法是组件声明和实例化程序。3B/4B编码不但和RD有关，还和6B的当前值有关。图4是一个8B/10B编码框图。图5是8B/10B编码仿真图。图48B/10B编码图图58B/10B编码仿真图4.38B/10B解码设计8B/10B解码设计的关键是使用一个外部的参考时钟恢复时钟信号。这就需要严格控制参考时钟源和抖动。解码的过程是将10B分为6B和4B两部分,然后分别完成6B/5B的转换以及3B/4B的转换。最后,8B由5B和3B组合获得。图6是8B/10B解码的示意图。这种转变是一种多对一的关系,所以结果是唯一的一个。我们使用软件ModelsimSE6.5f完成模拟的编码和解码。图7是模拟8B/10B编码和解码的仿真原理图。图68B/10B解码原理图图78B/10B解码仿真图5眼图分析5.1眼图在高速串行信号分析中，眼图分析是一种分析错误信息的重要方式。比特误码率是最终的测试结果。眼图在一个示波器上获得，将扫描所得的每一个码元波形重叠在一起，所有的码元都是由1到0和由0到1的数据传送，在数据之前和数据之后都是变化多样的1和0的组合数据，其本身也是1和0的常量组合[4]。眼图可以用来测量信号质量和信号完整性，并且还它可以判断串行信号振幅和时间信息。噪音会影响眼图的垂直开放程度。抖动会影响眼图的侧向开放程度。在实验中,我们总是希望眼图的开放程度大一些。当测试信号进行长距离传输，就会有传输损耗。图8所示是一个低通滤波效果。对于低通滤波器,低频信号衰减小,高频信号衰减较大。所以,当一个字符串的高频率矩形脉冲信号通过损耗输电线路,信号衰减明显。所以在接收端，它导致眼图的高度和侧向噪声容限减小[5]。图8数据脉冲的低通滤波效果5.2抖动和眼图在数字系统中，抖动是信号完整性的核心内容之一，它是时钟信号和串行信号的一个重要的参数。信号相对于理想参考点出现一定偏移时就是抖动，只有在边缘的信号它才有意义。图9是信号在时间域抖动的特征。实际的波形可能偏早或晚于理想的波形[6]。图9信号在时间域抖动特征在频域,抖动频谱的中心就是信号的工作频率。它服从高斯分布。当远离频率的中心时振幅逐渐减弱。每一个频率的信号可以是不同频率分量的组合信号。不是中心频率的信号，可以被视为噪声的频域(相位噪声)。抖动和相位噪声在本质上是一样的。他们是时域分析和频域分析的结果[7、8]。一个正弦波输出信号可以被表示为：V(t)=[𝐴0+ε(t)]sin[2π𝑓0t+φ(t)](1)𝐴0是额定电压的峰值，ε(𝑡)是幅度偏差，𝑓0是额定频率，φ(𝑡)是相位偏差。ε(𝑡)和φ(𝑡)在理想状态下都是0。然而，振荡器并不理想，由于在饱和过程中，ε(𝑡)几乎可以被忽略，公式（1）可以被写为：V(t)=𝐴0sin⁡[2𝜋𝑇0(𝑡+𝜑(𝑡)2𝜋𝑓0)](2)𝑇0=1𝑓0当x=2π，则sin(x)=0。因此，公式（2）可以表示为：t=𝑇0+∆𝑇=𝑇0(1−𝜑(𝑡)2𝜋)(3)所以抖动可以被描述为与周期相关的方程：J(t)=∆𝑇𝑇0=𝜑(𝑡)2𝜋(4)可知抖动的变化与相位的变化成正比关系。抖动、相位噪声和频率噪声有以下关系:相位可以被表示为：Φ(t)=2π𝑓𝑑+𝜑(𝑡)(5)频率可以被表示为：f(t)=12𝜋𝑑𝑑𝑡Φ(t)=𝑓𝑑+12𝜋𝑑𝑑𝑡𝜑(𝑡)(6)当我们将公式(4)代入公式(6),我们就可以得到频率噪声和抖动的关系。∆f=f(t)−f(d)=12𝜋𝑑𝑑𝑡𝜑(𝑡)=𝑑𝑑𝑡J(t)(7)所以在频谱上，抖动的速度变化显示为频率的噪声模式。在这个实验中，并行信号传输频率是20MHz。所用芯片将10位并行数据转换为12位串行数据，包括起始位和停止位。所以串行信号传输频率是240MHz。如果抖动用UI表示。在这个实验中,1UI=1/240MHz=4.167ns。高速信号的质量问题通常是由抖动造成的。本文使用眼图对信号质量进行评估。当眼图宽度越大,抖动越小,系统工作越稳定。眼图宽度是接收到的波形的采样时间没有串扰的效果。眼图高度确定系统的边缘噪声。图10显示了抖动和眼图之间的关系。然后我们可以通过公式（4）得到抖动效果的公式(8)。J(t)=ΔT𝑇0=𝑡𝑡𝑐𝑠𝑡𝑢𝑖(8)图10眼图和抖动的关系5.3测试结果在LVDS传输线的接收端,我们在阻抗100Ω处测得眼图。图11是没有按8B/10B编码进行15米传输的眼图。图12是按8B/10B编码进行15米传输的眼图。图13是没有按8B/10B编码进行20米传输的眼图。图14是按8B/10B编码进行20米传输的眼图。图11非8B/10B编码进行15米传输的眼图图128B/10B编码进行15米传输的眼图图13非8B/10B编码进行20米传输的眼图图148B/10B编码进行20米传输的眼图通过分析图11、图12、图13、图14，我们能够得到眼图的测试数据。显然，在同样的240Mb/s传输速率下，有或没有编码，我们比较传输距离为15m和20m的状况。通过结果可以看出传输距离为15m的眼图更大一些，抖动更小。这表明传输长度影响传输性能。距离较短的传输质量更好。与此同时，在表1中，当信号传输相同的长度，并且传输速度相同，使用8B/10B编码信号抖动小于没有8B/10B编码的信号。这表明交流耦合影响传输性能。8B/10B编码可以改变有效信号质量并且减少抖动。最后，我们用电脑和UltraEdit-32软件查验数据。图15显示了实际获得的数据。图15PC机获得的实际数据6结论通过眼图分析和抖动分析我们可以直观、有效地分析高速串行信号质量。在相同的传输速率下，长距离传输的传输损耗和干扰将会更大。在相同传输时，由于交流耦合的存在，8B/10B编码可以在直流平衡中起重要的作用，可以改善传输效率。此外,当我们设计LVDS传输线路时，连接走线的孔，多边形线和非阻抗匹配都是传输效果重要的影响因素。我们应该尽量减少阻抗的不连续性。参考文献[1]NationalSemiconductorCompany,LVDSUserManual,FourthEdition,2008[2]H.J.Hyun,J.B.Bae,D.H.Kah,K.H.Kang,H.J.Kim,H.Park,DevelopmentofanACcoupledsiliconpadarraydetector,JournaloftheKoreanPhysicalSociety,Vol.62,No.9,May2013,1233-1238[3]S.Khamseh,M.Nose,T.Kawabata,K.Matsuda,S.I