4.2 FPD-Link 的高速通信

[德州仪器 (TI) 叮当声] 大家好，我是 Casey McCrea。 在本培训模块中，我将介绍 使用 FPD-Link 的高速串行通信的 基础知识。 假设您现在已经熟悉 FPD-Link 这种通信协议，它可以在诸如汽车之类的 严苛应用中传输高速串行数据。 今天，我们将深入了解FPD-Link 内部的 一些电路组件和子模块，正是这些电路组件 和子模块使得这种数据传输成为可能。 在本培训模块的最后， 您可以更好地了解通过串行 链路传输高速数据时遇到的 一些挑战以及如何应对这些挑战。 FPD-Link 是一种多协议物理层 技术，可聚合来自各种业界通用协议的 数据并通过电缆对其进行传输。 该技术主要用于汽车中， 最常用于视频屏幕或驾驶员辅助 摄像头之间的数字音频和视频传输。 这里的这些车辆图中显示了一些例子。 这是一个基于FPD-Link 的系统的例子， 在这个例子中，我们展示了能够 成功发送和接收串行数据的内部模块。 从左边开始，一个 FPD-Link 串行器 通常包括一个 PLL，即锁相环， 用于将像素时钟乘以 与并串转换器相同的因子， 从而驱动单端50 欧姆电缆或差分 100 欧姆电缆。 另外，FPD-Link 串行器 包含反向通道接收器， 用于恢复从解串器端通过同一物理链路 发送的数据。 现在，高速串行信号将在这条路径上 受到诸如抖动、串扰、反射、 衰减和色散之类的 损害。 为了让串行信号从这些损害中恢复， FPD-Link 解串器包含自适应均衡器 以及时钟和数据恢复模块， 可恢复数据并提取用于对数据进行重新计时的时钟。 最后，高速数据 被馈送到串并转换器， 从而复制作为输入发送到串行器的 并行数据。 另外，FPD-Link 解串器 包含反向通道发送器， 可以通过单端 50 欧姆电缆或差分 100 欧姆电缆 发送控制信息。 PLL 代表“锁相环”，它是 FPD-Link 的 主要模拟组件，在串行器以及 FPD-Link 解串器中都有使用。 在 FPD-Link 串行器内部，一个 PLL 占用一个参考时钟， 并产生一个更高速度的串行时钟， 这个时钟通常是参考时钟频率 N 的 倍数。 在 FPD-Link 解串器中， PLL 用于从高速数据流中 提取时钟。 时钟和数据恢复模块，也称为 CDR， 是 FPD-Link 解串器内部的基本 子系统。 这个电路从串行 FPD-Link数据中提取时钟， 并对恢复的数据重新计时。 这里展示了一个简单的 CDR 框图， 其中显示了 PLL 和采样器等主要组件。 CDR 可以容忍的抖动量 决定了整个系统的抖动规格。 输入参考时钟抖动、发送抖动要求、 通道影响以及CDR 抖动容限 设定了端到端 FPD-Link 系统性能的整体规格。 一种有效方法是通过眼图 研究抖动对于FPD-Link 使用的 高速通道的影响。 眼图的构成方法是在过零之间 通过一次获取一个的方式叠加 高速数据的多个单位间隔，如图所示。 眼图张开度的大小决定了 信号的质量。 如图所示，每个相邻的符号 都会渗入正在查看的当前样本中， 从而导致眼图闭合。 这种相邻符号产生干扰的影响 称为符号间干扰，即 ISI。 要了解这个主题的更多详细讨论， 请查找高精度实验室培训模块： “什么是眼图？” 所有抖动并非在产生时完全一样。 由于不能在解串器端 以有效的方式补偿或消除随机抖动， 因此必须在源头尽可能减小随机 抖动。 随机抖动的某些频率分量 是可以滤除的，但这也可能 滤除数据分量，因此可能带来其自身的挑战。 但是，我们可以补偿确定性抖动， 因为这种抖动是可预测并且一致的。 例如，线性自适应均衡 可以帮助消除由于信道损耗而引入的 确定性抖动。 在大多数情况下，确定性抖动 是由于通道中的损耗引起的， 而随机抖动的引入原因是 电源噪声、串扰以及 通道不连续性引起的反射等影响。 现在，我们可以更详细地了解与这张幻灯片 相关的内容，并查看关于抖动的三个 主要系统组件。 由于电源噪声、输入参考时钟上的 周期性抖动或串行器封装引脚 内部的影响，可能会在串行器端 引入抖动。 抖动可能出现在包含 PCB 连接器 和电缆组件的通道上， 也可能出现在解串器内部， 原因是高速信号路径的带宽限制、 反向通道回声未消除、VCO 内部的固有噪声 或者是电源噪声。 上图显示了不同电缆长度 在不同频率下引入的衰减 或损耗变化。 可以使用 S 参数 来研究电缆引入的信号损耗。 例如，S21 参数可以给出有关电缆 衰减的信息，这个衰减也称为插入损耗。 这个图显示了在 700 兆赫兹和 1.4 千兆赫兹时 以 dB 为单位列出的损耗，以及不同电缆长度下的 损耗。 可以看出，更高的数据速率或更长的电缆长度 显示出更高的损耗。 在 TI 的 FPD-Link系统中，我们 在解串器处引入了自适应均衡， 可以补偿通道中的 这些插入损耗。 这里显示了一个关于高速 FPD-Link 数据的符号间干扰ISI 的例子。 当数据通过电缆时， 眼图张开度完全闭合，如图 “After the channel”所示。 然后，使用均衡器为信号提供 反增益功能，从而补偿电缆损耗。 综上所述，在本课程中， 我们讨论了在汽车环境中通过电缆传输 高速数据时遇到的一些关键挑战， 包括通道损耗和抖动。 我们还说明了FPD-Link 器件 用来应对这些挑战的一些技术。 好的，让我们进行一个小测验。 第 1 题，由于电缆内部的 信号衰减会导致哪种抖动？ A：随机抖动，B：确定性抖动； 还是 C：周期性抖动？ 答案是B：确定性抖动。 由于电缆的信号损耗是明确的和确定性的， 因此电缆将以特定的 确定性方式衰减信号， 从而产生确定性抖动。 第 2 题， 哪种方法可以补偿 由于电源噪声引起的随机抖动？ 是 A：自适应均衡； B：无法减轻由于电源噪声引起的 随机抖动；还是 C：可以通过对数据流进行 过滤来减少由于电源噪声引起的一些随机 抖动影响？ 答案是 C：可以通过对数据流进行过滤来减少 由于电源噪声引起的一些随机抖动影响。 只要电源噪声分量的频率 比数据频率分量的频率 高得多，过滤就是一种有效的 方法。 最后，很高兴我们能为您提供一些关于 FPD-Link 技术的 高速通信基础知识。 您可以在 ti.com 上查看哪些 TI 产品能够 与 FPD-Link 协议配合使用，并访问一些出色的技术资源。 非常感谢大家的观看。