汽车串行链路总线的预加重与均衡技术探讨

随着汽车自动驾驶和信息娱乐需求的增加，视频应用的快速发展，数据传输流量正以指数级迅猛增长，迫切需要更高的数据传输速率。因此，低成本双绞线也逐渐受到人们的特别关注。而双绞线电缆的高频衰减是限制其应用性能的主要因素，高频衰减造成接收信号出现明显的码间干扰(ISI)，进而难以恢复时钟和数据，导致误码率(BER)升高。发送信号在到达接收器之前被电缆衰减，发送器和接收器采取一定形式的线路均衡，可大幅降低ISI并恢复严重劣化的数据，确保可靠工作。

图1. GMSL应用发送与接收功能示意图。

发送端的预加重和接收端的均衡能够使串行器/解串器(SerDes)采用廉价的电缆传输数据或延长数据传输距离。亚德诺半导体公司（ADI）推出的吉比特(千兆)多媒体串行链路(GMSL)方案可以对数字视频和音频数据进行串行转换，然后通过一对双绞线串行传输。GMSL产品中的3.125Gbps高速收发器允许系统设计人员动态调整实际电缆的均衡电平，提供可靠的通信链路。发送器和接收器均具有均衡调节，可独立或配合设置，以延长数据传输距离。灵活的均衡调节允许使用各种低成本有损电缆。本文分析了电缆对信号传输的影响，以及如何补偿。文章介绍了使用有损电缆时，如何利用ADI的多媒体串行链路(GMSL)产品构建可靠链路。

GMSL发送预加重

如果在接收器端没有采用均衡，数据线在连续出现一串“1”后，发送高频“0”脉冲时可能无法恢复到信号摆幅的中间位置，如图2所示。图中解释了如何通过加重跳变沿、去加重“非跳变沿”，最终克服高频衰减问题。

图2. 时域预加重滤波

导体和介电损耗使得电缆的传递函数表现为低通滤波，如图3所示。利用均衡(高通传函曲线)，可在相应频带获得平坦(均匀衰减)的系统频响特性。

图3. 频域预加重滤波

合理使用均衡技术，可以在电缆长度、电缆类型、最大系统数据速率三个方面改善系统设计，例如采用6dB预加重后，可以打开在10m电缆末端完全关闭的眼图(图4)。

图4. 经过10m电缆传输的3.125Gbps数据：(a) 无预加重；(b) 6dB预加重。

根据MAX9259数据资料，可由寄存器0x05中的D[3:0]设置预加重电平。注意，增益过大时可能造成抖动增大。以下讨论如何使用发送器和接收器均衡。

GMSL接收端的均衡设置

接收均衡的基本思路如图5所示，有损链路以近似一阶的传函特性衰减正向通道数据，链路传输特性的带宽远远低于数据频率(数据频率fb等于码率的一半)。码间干扰会引起确定性抖动；此外，经过远距离长线传输后，到达有损电缆末端的信号眼图可能完全闭合。为了补偿这种损耗，数据首先通过一个传递函数进行处理，理想情况下，该传递函数应该是与电缆传输特性相反的传输函数。这样，当链路和均衡器级联后，可以获得足够的带宽。GMSL解串器中采用12级可编程增益，防止不同电缆长度下出现下冲(增益过小)或过冲(增益过大)。增益可设置为在2dB至13dB之间12个不同放大倍数。

图5. 在接收器内增加一个传输函数与电缆传输特性相反的电路，对数据进行均衡。

图6所示为不同增益设置下的接收器传输函数(交流特性)；图7所示为10m STP电缆通道和均衡接收器共同作用下的传输函数。图中不同增益电平的响应特性有所重叠。增益设置为8倍(9.4dB)时，总体等效传输特性在工作频段非常平坦。图8给出了经过10m STP电缆传输后，接收器的输入、输出眼图。从图中可以看出，均衡器打开了完全闭合的眼图。

总体传函不平坦时，会发生什么？就ISI抖动而言，过冲造成的危害通常低于下冲。增益下降到最佳值以下时，输出抖动迅速增大。相反，增益增大到最佳值以上时，抖动增大得比较缓慢。

图6. 不同调谐设置下的均衡器交流特性和增益

图7. 在10m STP电缆通道，电缆传输特性 + 不同增益均衡器(级联)的等效交流特性。

图8. 在10m电缆通道，最佳增益设置下的接收器输入、输出眼图。

从预加重与均衡到吉比特数据传输，GMLS技术演进之路

值得一提的是，GMSL解串器带有信号检测器，当链路上没有有效信号时，可以禁止接收器工作。当信号电平经过长电缆传输或者在较高预加重电平的作用下变得非常低时，解串器可能检测不到有效的链路信号。因此，当传输电缆较长时(> 10m)，建议禁止有效信号检测器，并搜索最佳预加重和均衡器设置。向解串器的第11字节写入“0x80”，禁用检测器工作。选择最佳值后，在相同字节写入“0x20”，则再次使能信号检测功能。

根据实验室测量结果，电缆长度为15m、最大PCLK频率为104.16MHz时，有效信号检测器可以工作在高达8dB的预加重配置。有效信号检测器还具有下限选项，在第11字节写入“0x00”进行设置。根据我们的实验室测量结果，选择下限时，如果电缆长度为15m，有效信号检测器可以工作在高达14dB的预加重。如果电缆长度超出15m，预加重为14dB，建议禁止有效信号检测器。这些测量中，所使用的电缆为标准的汽车STP电缆。

在GMSL诞生之前，面对大量的数据传输一般采用的方法是通过并行总线增加带宽，这种方式面临一个问题，就是线束会特别多，在工业生产中，大量的线束意味着增加成本和重量，同时也会增加EMI电磁干扰。随着GMSL的推出，可有效替代无压缩以太网传输，数据速率提高10倍，电缆损耗降低50%，EMC性能优于以太网。ADI的GMSL芯片组驱动15米长的同轴或STP电缆。

作为第一个带有直流均衡的SerDes，早期推出的MAX9209/9220解决了交流耦合问题。而第一个具有扩频功能的解串器/串行器MAX9244/9259，使得ADI成为率先在汽车电子领域通过扩频技术改善EMC的半导体方案提供商。新一代GMSL则支持更高的传输速率，可同时传输3K视频和吉比特以太网数据。随着汽车总线技术的演进，GMSL技术的升级演进之路一直不曾停息。

ADI 在GMSL差分信号传输产品上的历史演进过程