Wie sich die serielle Bildüber­tragung im Auto verbessern lässt

| Autor / Redakteur: Jason Syu * / Thomas Kuther

Aufbau und Aufgaben des Deserializers

Die Toleranz gegenüber eingangsseitigem Jitter (Input Jitter Tolerance, IJT) ist ein wichtiger Parameter der CDR-Schaltung des Deserializers. Bild 5a zeigt ein typisches IJT-Diagramm, das die Fähigkeit der CDR-Schaltung illustriert, sich auf die Zustandswechsel des ankommenden Datensignals aufzusynchronisieren, den enthaltenen hochfrequenten Takt zu reproduzieren und die Daten neu abzutasten und korrekt zu regenerieren. Innerhalb ihrer Schleifenbandbreite kommt die CDR-Schaltung mit großen Jitter-Amplituden zurecht. Die Jitter-Toleranz der CDR-Schaltung fällt darüber allerdings ab, um bei einer sehr hohen Jitterfrequenz ihr Minimum zu erreichen.

In Bild 5a ist eine normalisierte Jitter-Amplitude von 1 Einheitsintervall (engl.: Unit Interval, UI) die maximale, bei geschlossenem Augendiagramm bestehende Phasenabweichung des High-Speed-Signals auf der seriellen Verbindung. Zum Beispiel gilt in einer ADAS-Anwendung mit der Kombination aus DS90UB933 und DS90UB964 im RAW10-Modus und einem PCLK von 100 MHz:

1 UI = 1/(100 MHz PCLK . ½ . 28 Bit) = 714,28 ps.

In einer IVI-Applikation mit der Kombination aus DS90UH925 und DS90UH926 und einem PCLK von 75 MHz gilt dagegen:

1 UI = 1/(75 MHz . 35 Bit) = 380,95 ps.

Wie aus Bild 5b zu entnehmen ist, führt ein Anheben der Schleifenbandbreite der CDR-Schaltung dazu, dass sich die Toleranz des Empfängers gegenüber hochfrequentem Jitter verbessert. Gleichzeitig kann hierdurch jedoch auch mehr hochfrequenter Jitter an den Ausgang des Deserializers durchschlagen. Ist der Jitter am Ausgang des Deserializers zu groß, kann dies ein Problem für den nachfolgenden Baustein werden. Beim Festlegen der Bandbreite der CDR-Schaltung ist deshalb ein Kompromiss zwischen einem hohen IJT-Wert und einem geringen Jitter am Ausgang zu schließen.

Der Schluss, der aus der Jitter-Übertragungsfunktion des Serializers und der eingangsseitigen Jitter-Toleranz des Deserializers zu ziehen ist, lautet, dass seitens des Systems eine bestimmte Beständigkeit gegen Jitter auf dem eingangsseitigen Pixeltakt besteht. Um diese zu ermitteln, müssen gleichzeitig die Jitter-Übertragungsfunktion des Serializers und das Jittertoleranz-Profil des Deserializers betrachtet werden.

Eingangsseitige Jitter-Toleranz des Gesamtsystems

Bild 6 zeigt den kombinierten Effekt der Jitter-Übertragungsfunktion des Serializers und des IJT-Werts des Deserializers. Im Durchlassband der Jitter-Übertragungsfunktion des Serializers werden niederfrequente Jitter-Anteile an den Deserializer weitergegeben, und die CDR-Schaltung ist dank ihres hohen IJT-Werts zum Tracking fähig.

Wenn sich die PLL-Bandbreite des Serializers und die CDR-Bandbreite des Deserializers innerhalb einer Dekade befinden, überschneiden sich die Übergangsbereiche der Jitter-Übertragungsfunktion des Serializers und der Jittertoleranz des Deserializers, was im Bereich der Überschneidung zu einer geringeren Toleranz gegenüber Pixeltakt-Jitter führt. Visualisieren lässt sich dies, indem man die Frequenzachsen der Jitter-Übertragungsfunktion des Serializers und des Jittertoleranz-Profils des Deserializers aufeinander ausrichtet, wie in Bild 6 geschehen. Das U-förmige Profil der eingangsseitigen Jitter-Toleranz des Gesamtsystems (System-level Input-Jitter Tolerance, SIJT) erklärt sich daraus, dass die in den Übergangsbereich fallenden Jitteranteile nicht vollständig unterdrückt werden.

Die sehr hochfrequenten Jitteranteile oberhalb von 10 ω0 werden dagegen von der Serializer-PLL wieder effektiv unterdrückt, was den SIJT-Wert erneut ansteigen lässt. Solange der Pixeltakt-Jitter unterhalb des SIJT-Profils liegt, ist der Ausgangs-Jitter des Serializers kleiner als die Eingangsjitter-Toleranz des Deserializers, sodass eine robuste Verbindung aufgebaut werden kann.

Umgang mit Jitter am Pixeltakt-Eingang

Für den Umgang mit Pixeltakt-Jitter am Eingang des SerDes-Systems sollten zwei Methoden erwogen werden. Die erste besteht darin, für eine jitterarme Taktquelle zu sorgen, deren Breitband-Jitteramplitude nicht größer als SIJCLK(max) ist, wie in Bild 6 unten gezeigt. In diesem Fall liegt der Eingangs-Jitter über alle Jitter-Frequenzen hinweg unter dem SIJT-Profil. Gestaltet sich das Beschaffen einer Taktquelle mit geringem Jitter jedoch schwierig, gibt es als zweite Methode die Option, die Jitter-Frequenzen kleiner als fSIJ(max) zu halten.

Können die Amplitude und Frequenz des Jitters auf dem eingangsseitigen Pixeltakt nicht effektiv begrenzt werden, lässt sich der Pixeltakt-Jitter mithilfe des Automotive-tauglichen Jitter-Cleaners CDCE813 von TI reduzieren. Das SerDes-System wird dann nicht mit übermäßigem Jitter konfrontiert, sodass sich hier ebenfalls eine robuste Verbindung aufbauen lässt.

Um einen guten Kompromiss zwischen Jitter-Toleranz und Jitter-Unterdrückung zu finden, besitzt der FPD-Link III Serializer eine typische -3-dB-Jitterübertragungs-Bandbreite von etwa f/40, während der FPD-Link III Deserializer eine typische CDR-Schleifenbandbreite von etwa f/15 aufweist, wobei f für die Frameraten-Frequenz steht. Mithilfe der Jitter-Übertragungsfunktion des Serializers und der Jittertoleranz-Kurve des Empfängers kann ein Hardwareingenieur die Übergangsbereiche ermitteln und entweder die Jitteramplitude auf dem Pixeltakt beeinflussen und/oder den hochfrequenten Jitter abschwächen, damit eine stabile und robuste Verbindung erzielt wird.

Auf den Jitter des eingangs­seitigen Pixeltakts achten

Um in einem schnellen seriellen Kommunikationssystem die angestrebte Bitfehlerrate zu erreichen, müssen Hardwareingenieure auf den Jitter des eingangsseitigen Pixeltakts achten. Mit diesem muss korrekt umgegangen werden, damit in Anbetracht der Jitter-Übertragungsfunktion des Serializers und der IJT des Deserializers eine robuste High-Speed-Verbindung eingerichtet werden kann.

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Literatur

[1] Z. Nikolic, G. Agarwal, B. Williams und S. Pearson: „TI Gives Sight to Vision-Enabled Automotive Technologies”, Texas Instruments White Paper (SPRY250), 2012.

[2] E. W. Kamen und B. S. Heck: „Chapter 8 - Analysis of Continuous-Time Systems by Use of the Transfer Function Representation”, in Fundamentals of Signals and Systems Using the Web and MATLAB, 33.

[3] Upper Saddle River, New Jersey, Prentice Hall, 2007, ISBN 0131687379, 9780131687370.

[4] Mike Peng Li: „Jitter, Noise, and Signal Integrity at High-Speed”, Prentice Hall., 2008, ISBN 0132429616, 9780132429610.

* Jason Syu ist Validation Engineer bei Texas Instruments.

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