Nowoczesne układy SerDes zapewniają komunikację na dalekie odległości

Rys. 1. Przykładowe układy SerDes konwertujące równoległą magistralę danych do czterech linii i sygnału zegarowego

Układ serializera wykorzystuje typowo do transmisji danych na dużą odległość niskonapięciowy interfejs LVDS, który zapewnia wysoką szybkość transmisji. Po stronie odbiornika układ deserializera dokonuje operacji odwrotnej, odtwarzając pierwotną wielkość szyny komunikacyjnej i format danych cyfrowych. Na rynku jest wiele układów tego typu, równie imponująca jest liczba aplikacji, które wykorzystują taką technikę transmisji danych.

Starsze serializery i deserializery, takie jak układy z rodziny Channel Link I pokazane na rysunku 1, dokonywały serializacji szerokich równoległych szyn danych (do 48 bitów), konwertując je do postaci 4-sygnałowego toru LVDS z wydzieloną linią zegarową. Układ ten był sporą innowacją na rynku i zapoczątkował proces eliminacji równoległych łączy komunikacyjnych bazujących na wstążkowych kablach wielożyłowych z urządzeń elektronicznych.

Korzystanie z serializerów nie jest jednak wolne od problemów, które na przykład powodują przesunięcie czasowe sygnałów w sąsiednich parach sygnałowych, generują zaburzenia elektromagnetyczne, co w konsekwencji ogranicza maksymalną długość kabla komunikacyjnego lub zmusza konstruktorów do korzystania z droższych i trudniej dostępnych przewodów, zapewniających wyrównane czasy propagacji dla każdej z żył.

Rys. 2. Schemat blokowy łącza z układami Channel Link II SerDes I/O

W nowych rozwiązaniach układowych te negatywne zjawiska są ograniczane dzięki temu, że oprócz linii danych serializacji poddano także sygnał zegarowy. Przesunięcia czasowe pomiędzy liniami danych a linią zegarową przestały w ten sposób mieć znaczenie, a maksymalna długość kabla pomiędzy nadajnikiem i odbiornikiem znacząco wzrosła. Możliwe stało się także wykorzystanie tanich i popularnych kabli UTP lub przewodów koncentrycznych jako medium komunikacyjnego.

Wykorzystanie niskonapięciowego różnicowego interfejsu LVDS sprzyja także minimalizacji emitowanych zaburzeń elektromagnetycznych. W stosunku do typowych łączy niesymetrycznych z uziemioną płaszczyzną masy, LVDS jest też mniej podatny na zakłócenia. Dodatkowe zabiegi, takie jak rozpraszanie widma dla sygnału zegarowego, kodowanie danych cyfrowych lub różne techniki randomizacji i przesyłanych szyfrowania danych, zapewniają ograniczenie mocy dominujących harmonicznych w przesyłanym sygnale.

Nowe układy SerDes mają ponadto wbudowane obwody equalizerów ograniczające wpływ pasożytniczych impedancji kanału transmisyjnego. Pozwoliło to jeszcze bardziej wydłużyć maksymalną długość kabla transmisyjnego. Dodatkowo stosuje się preemfazę po stronie nadajnika sygnału w odbiorniku, aby poszerzyć i wyrównać pasmo kanału transmisyjnego. Skoro typowy kabel w przybliżeniu można uznać za filtr dolnoprzepustowy, preemfaza jest skutecznym narzędziem w takim przypadku i zmniejsza straty energii sygnału w zakresie wysokich częstotliwości.

Przykładowe układy SerDes

Rys. 3. Kamera monitoringu wideo z 16-bitową szyną LVCMOS i sterowaniem poprzez I2C

Przykładem układów SerDes o opisanych możliwościach są produkty National Semiconductor z rodziny Channel Link II pokazane na rysunku 2. Układy serializera DS92LV2421 i deserializera DS92LV2422 tworzą parę i mają wbudowane pasujące do siebie układy preemfazy i korektora parametrów kabla. Działanie tych obwodów można programować, wybierając w wewnętrznym rejestrze jeden z ośmiu trybów pracy.

Dzięki wymienionym układom w punkcie pomiarowym TP3 zaznaczonym na rysunku 2, przy napięciu różnicowym V_OD=840mV zmierzonym w punkcie TP1, sygnał bez działających układów preemfazy i korekcji ma 290mV oraz jitter 403ps. Po włączeniu preemfazy o wartości 3,3dB w zakresie górnych częstotliwości pasma i ustawieniu korektora kabla na 3,3dB, amplituda wzrasta do 825mV, a jitter spada do 142ps. Equalizer w dużej mierze oddziałuje również na odbierane dane.

Bez działającej korekcji (0dB) przy 15-metrowym kablu UTP dane są już zamazane i nie dają się odczytać, natomiast z korekcją 6dB nie ma problemu z odczytem. Najważniejszym elementem precyzyjnej deserializacji danych jest układ CDR - Clock and Data Recovery, a więc obwód wydzielający z sygnału poddanego korekcji w equalizerze zegar i dane. Układy Nationala Channel Link III, a więc dwukierunkowy serializer DS- 92LX1621 oraz deserializer DS92LX1622, to kolejne obwody o opisywanej funkcjonalności.

Rys. 4. Zdalny wyświetlacz z 21-bitową szyną równoległą i sterowaniem I2C

Zgodnie z rysunkiem 3 mogą one być bezpośrednio połączone z 16-bitową równoległą szyną danych LVCMOS w kamerze, zapewniając serializację danych i możliwość przesłania ich przez pojedynczy dwuprzewodowy kabel. Warto zauważyć, że zegar taktujący odczyt danych i dwukierunkowe sygnały sterujące zgodne z I²C są także enkodowane do transmitowanego strumienia danych, co znacząco upraszcza konstrukcję systemów monitoringu i zmniejsza cenę rozwiązania.

Co więcej, deserializer w odbiorniku automatycznie synchronizuje działanie wbudowanego w kamerę serializera, co eliminuje potrzebę parowania i ustawiania działania obu tych elementów. Kolejną aplikacją, która wykorzystuje znacząco potencjał układów SerDes, jest zdalny wyświetlacz będący elementem przemysłowego panelu sterującego pokazany na rysunku 4. W tym przykładzie sterownik graficzny ma na wyjściu 21-bitową równoległą szynę danych i dostarcza ponadto sygnału sterującego I²C dla wyświetlacza dotykowego.

Wyświetlacz jest oddalony o 15 metrów i połączony z systemem komputerowym. Podobnie jak w poprzednim rozwiązaniu, serializacji poddano dane, sygnał zegarowy i linie sterujące interfejsu I²C. Wynikowy sygnał szeregowy jest przesyłany pojedynczą parą skrętki sygnałowej zajmując pasmo 1,05 GHz (21×50 MHz). Z pewnością jest to rozwiązanie wygodne z punktu widzenia kosztów instalacji i serwisowania.

Specjalizacja na aplikacje monitoringu wideo

Rys. 5. Konwersja formatu sygnału wyjściowego z wykorzystaniem układów SerDes Channel Link II i III

Wiele układów SerDes o opisanej funkcjonalności jest aplikowanych w układach, gdzie zachodzi konieczność transmisji sygnału cyfrowego za pośrednictwem taniego medium, tam gdzie komunikacja odbywa się pomiędzy dwoma punktami, bez konieczności budowy sieci. Ciekawym zagadnieniem aplikacyjnym związanym z układami SerDes jest możliwość zmiany formatu danych. W przykładach pokazanych na rysunkach 3 i 4 format danych przed serializacją i po deserializacji jest taki sam i w ten sposób działanie jest przezroczyste dla transmitowanego sygnału.

Nie zawsze jest to pożądane, dlatego zmieniając układ deserializera, można dokonać zmiany formatu sygnału wyjściowego, tak jak na przykład pokazane to zostało na rysunku 5. Serializer DS92LV2421 dokonuje konwersji 24-bitowego sygnału RGB z karty graficznej razem z sygnałem synchronizacji, zegarowym i sterującym i przesyła go przez pojedynczy kabel. Umieszczony po drugiej stronie DS92LV0422 zamienia strumień szeregowy na cztery linie LVDS i zegar.

Takie rozwiązanie w wielu przypadkach może być pomocne i ograniczające koszt aplikacji. Niewątpliwie największym obszarem aplikacyjnym dla aplikacji SerDes są systemy monitoringu wideo, dla których rozwiązania te zapewniają niezbędne minimum po stronie kosztów okablowania i elastyczność zastosowań.

Ponieważ wiele z kamer instalowanych jest w trudno dostępnych miejscach, National Semiconductor wbudował do produktów SerDes funkcję BIST (Built-In Self Test), pozwalającą na zdalne testowanie działania łącza komunikacyjnego. Inną ciekawą opcją jest możliwość programowania stopnia rozproszenia sygnału zegarowego taktującego układy SerDes od ±0,5% do ±2%, co pomaga spełnić wymagania związane z emisją zaburzeń.

Artykuł został udostępniony we współpracy z firmą National Semiconductor.

Farnell
www.farnell.com/pl