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[導(dǎo)讀]開(kāi)發(fā)串行接口業(yè)界標(biāo)準(zhǔn)JESD204A/JESD204B的目的在于解決以高效省錢的方式互連最新寬帶數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器與其他系統(tǒng)IC的問(wèn)題。其動(dòng)機(jī)在于通過(guò)采用可調(diào)整高速串行接口,對(duì)接口進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化,降低數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器與其他器件(如現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列FPGA和系統(tǒng)級(jí)芯片SoC)之間的數(shù)字輸入/輸出數(shù)量。

摘要

開(kāi)發(fā)串行接口業(yè)界標(biāo)準(zhǔn)JESD204A/JESD204B的目的在于解決以高效省錢的方式互連最新寬帶數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器與其他系統(tǒng)IC的問(wèn)題。其動(dòng)機(jī)在于通過(guò)采用可調(diào)整高速串行接口,對(duì)接口進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化,降低數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器與其他器件(如現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列FPGA和系統(tǒng)級(jí)芯片SoC)之間的數(shù)字輸入/輸出數(shù)量。

趨勢(shì)顯示最新應(yīng)用,以及現(xiàn)有應(yīng)用的升級(jí),正不斷需求采樣頻率和數(shù)據(jù)分辨率更高的寬帶數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器。向這些寬帶轉(zhuǎn)換器傳送和獲取數(shù)據(jù)暴露了一個(gè)非常大的設(shè)計(jì)問(wèn)題,即現(xiàn)有I/O技術(shù)帶寬的限制導(dǎo)致轉(zhuǎn)換器產(chǎn)品需要使用的引腳數(shù)更多。其結(jié)果便是PCB設(shè)計(jì)隨著互連密度的增加而更復(fù)雜。其挑戰(zhàn)在于進(jìn)行大量高速數(shù)據(jù)信號(hào)走線的同時(shí)控制電噪聲,以及提供GSPS級(jí)別的寬帶數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器采樣頻率的能力、使用更少的互連、簡(jiǎn)化PCB布局難題并實(shí)現(xiàn)更小的尺寸,且不降低整體系統(tǒng)性能。

市場(chǎng)力量繼續(xù)施壓,要求給定系統(tǒng)擁有更多特性和功能以及更好的性能,推動(dòng)了對(duì)更高數(shù)據(jù)處理能力的要求。高速模數(shù)轉(zhuǎn)換器和數(shù)模轉(zhuǎn)換器至FPGA接口已成為某些系統(tǒng)OEM廠商滿足下一代大量數(shù)據(jù)處理需要的限制因素。JESD204B串行接口規(guī)范專為解決這一關(guān)鍵數(shù)據(jù)鏈路的問(wèn)題而建立。圖1顯示使用JESD204A/JESD204B的典型高速轉(zhuǎn)換器至FPGA互連配置。

本文余下篇幅將探討推動(dòng)該規(guī)范發(fā)展的某些關(guān)鍵的終端系統(tǒng)應(yīng)用,以及串行低壓差分信號(hào)(LVDS)和JESD204B的對(duì)比。

寬帶數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器應(yīng)用的JESD204B與串行LVDS接口考量

圖1.使用JESD204A/JESD204B接口的典型高速轉(zhuǎn)換器至FGPA互連配置(來(lái)源:Xilinx®)。

應(yīng)用推動(dòng)對(duì)JESD204B的需求

無(wú)線基礎(chǔ)設(shè)施收發(fā)器

目前無(wú)線基礎(chǔ)設(shè)施收發(fā)器采用LTE等基于OFDM的技術(shù),這類技術(shù)使用部署FPGA或SoC器件的DSP模塊,通過(guò)驅(qū)動(dòng)天線陣列元件,單獨(dú)為每個(gè)用戶的手機(jī)產(chǎn)生波束。在發(fā)射和接收模式下,每個(gè)陣列元件每秒可能需要在FPGA和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器之間傳輸數(shù)百兆字節(jié)的數(shù)據(jù)。

軟件定義無(wú)線電

當(dāng)今的軟件定義無(wú)線電技術(shù)利用先進(jìn)的調(diào)制方案,可即時(shí)重配置,并極大地增加了通道帶寬,提供最佳的無(wú)線數(shù)據(jù)速率。天線路徑中高效、低功耗、低引腳數(shù)的FPGA至數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器接口對(duì)性能起著決定性的作用。軟件定義無(wú)線電架構(gòu)已與收發(fā)器基礎(chǔ)設(shè)施相整合,用于多載波、多模無(wú)線網(wǎng)絡(luò),支持GSM、EDGE、W-CDMA、LTE、CDMA2000、WiMAX和TD-SCDMA。

醫(yī)療成像系統(tǒng)

醫(yī)療成像系統(tǒng)包括超聲、計(jì)算機(jī)斷層掃描(CT)的掃描儀、磁共振成像(MRI)等,這些應(yīng)用產(chǎn)生很多通道的數(shù)據(jù),流經(jīng)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器至FPGA或DSP。I/O通道數(shù)的持續(xù)增長(zhǎng)要求使用內(nèi)插器匹配FPGA和轉(zhuǎn)換器的引腳輸出,迫使元件數(shù)增加,并使PCB復(fù)雜化。這加大了客戶系統(tǒng)的成本支出以及復(fù)雜程度;而這些問(wèn)題可通過(guò)采用更有效的JESD204B接口加以解決。

雷達(dá)和安全通信

目前先進(jìn)雷達(dá)接收器的脈沖結(jié)構(gòu)日益復(fù)雜,迫使信號(hào)帶寬上升至1 GHz或更高。最新的有源電子調(diào)整陣列(AESA)雷達(dá)系統(tǒng)可能包含上千個(gè)元件。高帶寬SERDES串行接口用于連接陣列元件數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器與FPGA或DSP,處理接收到的數(shù)據(jù)流,并將處理后產(chǎn)生的數(shù)據(jù)流發(fā)送出去。

串行LVDS與JESD204B的對(duì)比

在串行LVDS和JESD204B接口之間選擇

為了在使用LVDS和多種版本JESD204串行接口規(guī)范的轉(zhuǎn)換器產(chǎn)品間做出最佳選擇,對(duì)每種接口的特性和功能進(jìn)行比較會(huì)非常有用。表1以簡(jiǎn)單的表格形式對(duì)接口標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了對(duì)比。在SERDES級(jí),LVDS和JESD204之間的顯著區(qū)別是通道數(shù)據(jù)速率,JESD204支持的每通道串行鏈路速率是LVDS的三倍以上。當(dāng)比較諸如多器件同步、確定延遲和諧波時(shí)鐘等高級(jí)功能時(shí),JESD204B是提供這些功能的唯一接口。所有通路和通道對(duì)確定延遲敏感、需要寬帶寬多通道轉(zhuǎn)換器的系統(tǒng)將無(wú)法有效使用LVDS或并行CMOS。

表1.串行LVDS和JESD204規(guī)范對(duì)比

Function
功能
Serial LVDS
串行LVDS
JESD204
JESD204
JESD204A
JESD204A
JESD204B
JESD204B
Specification Release
規(guī)范發(fā)布時(shí)間
2001
2006
2008
2011
Maximum Lane Rate (Gbps)
最大通道速率(Gbps)
1.0
3.125
3.125
12.5
Multiple Lanes
支持多通道




Lane Synchronization
通道同步




Multidevice Synchronization
多器件同步




Deterministic Latency
確定延遲




Harmonic Clocking
支持諧波時(shí)鐘




LVDS概述

LVDS是連接數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器與FPGA或DSP的傳統(tǒng)方法。LVDS于1994發(fā)布,目標(biāo)在于提供比已有的RS-422和RS-485差分傳輸標(biāo)準(zhǔn)更高的帶寬和更低的功耗。隨著1995年TIA/EIA-644的發(fā)布,LVDS成為標(biāo)準(zhǔn)。二十世紀(jì)90年代末,LVDS的使用率上升,并隨著2001年TIA/EIA-644-A的發(fā)布,LVDS標(biāo)準(zhǔn)亦發(fā)布了修訂版。

LVDS采用低電壓擺幅的差分信號(hào),用于高速數(shù)據(jù)的傳輸。發(fā)射器驅(qū)動(dòng)的電流典型值為±3.5 mA,通過(guò)100 Ω電阻發(fā)送極性匹配的邏輯電平,在接收器端產(chǎn)生±350 mV電壓擺幅。電流始終導(dǎo)通,并被路由至不同方向以便產(chǎn)生邏輯1和邏輯0。LVDS始終導(dǎo)通的特性有助于抑制同步開(kāi)關(guān)噪聲尖峰和潛在電磁干擾——在單端技術(shù)中,晶體管的開(kāi)關(guān)動(dòng)作可能產(chǎn)生這些噪聲和干擾。LVDS差分的特征同樣提供了針對(duì)共模噪聲源的有效抑制。雖然在理想傳輸介質(zhì)中,該標(biāo)準(zhǔn)預(yù)測(cè)速率可能超過(guò)1.9 Gbps,但TIA/EIA-644-A標(biāo)準(zhǔn)建議的最大數(shù)據(jù)速率為655 Mbps。

FPGA或DSP與數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器間數(shù)據(jù)通道和速度的大幅增長(zhǎng)——尤其是前文討論的那些應(yīng)用——使LVDS接口暴露了一些問(wèn)題(見(jiàn)圖2)。現(xiàn)實(shí)中,差分LVDS線的帶寬限制在1.0 Gbps左右。在目前很多應(yīng)用中,這一限制導(dǎo)致需要許多高帶寬PCB互連,而每一處都有可能出故障。大量的走線還增加了PCB的復(fù)雜性或整體尺寸,導(dǎo)致設(shè)計(jì)和制造成本上升。在某些帶寬需求量巨大的應(yīng)用中,數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器接口已成為滿足所需系統(tǒng)性能的制約因素。

寬帶數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器應(yīng)用的JESD204B與串行LVDS接口考量

圖2.使用并行CMOS或LVDS帶來(lái)的系統(tǒng)設(shè)計(jì)與互連的挑戰(zhàn)。

JESD204B概述

JESD204數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器串行接口標(biāo)準(zhǔn)由JEDEC固態(tài)技術(shù)協(xié)會(huì)JC-16接口技術(shù)委員會(huì)建立,目標(biāo)是提供速率更高的串行接口、提升帶寬并降低高速數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器和其他器件之間的數(shù)字輸入和輸出通道數(shù)。該標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)是IBM開(kāi)發(fā)的8b/10b編碼技術(shù),它無(wú)需幀時(shí)鐘和數(shù)據(jù)時(shí)鐘,支持以更高的速率進(jìn)行單線對(duì)通信。

2006年,JEDEC發(fā)布JESD204規(guī)范,使單數(shù)據(jù)通道上的速率達(dá)到3.125 Gbps。JESD204接口是自同步的,因此無(wú)需校準(zhǔn)PCB布線長(zhǎng)度,避免時(shí)鐘偏斜。JESD204依靠許多FPGA提供的SERDES端口,以便釋放通用I/O。

JESD204A于2008年發(fā)布,增加了對(duì)多路時(shí)序一致數(shù)據(jù)通道和通道同步的支持。這種增強(qiáng)使得使用更高帶寬的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器和多路同步數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器通道成為可能,并且對(duì)用于蜂窩基站的無(wú)線基礎(chǔ)設(shè)施收發(fā)器尤為重要。JESD204A還提供多器件同步支持,這有利于醫(yī)療成像系統(tǒng)等使用大量ADC的應(yīng)用。

JESD204B是該規(guī)范的第三個(gè)修訂版,將最大通道速率提升至12.5 Gbps。JESD204B還增加了對(duì)確定延遲的支持,該功能可在接收器和發(fā)射器之間進(jìn)行同步狀態(tài)的通信。JESD204B還支持諧波時(shí)鐘,使得依據(jù)確定相位,通過(guò)低速輸入時(shí)鐘獲得高速數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器時(shí)鐘成為可能。

結(jié)論

JESD204B工業(yè)串行接口標(biāo)準(zhǔn)降低了高速數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器和FPGA以及其他器件之間的數(shù)字輸入和輸出通道數(shù)。更少的互連可以簡(jiǎn)化布局布線,并讓實(shí)現(xiàn)更小的尺寸設(shè)計(jì)成為可能(見(jiàn)圖3)。這些優(yōu)勢(shì)對(duì)很多高速數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器應(yīng)用非常重要,例如無(wú)線基礎(chǔ)設(shè)施收發(fā)器、軟件定義無(wú)線電、醫(yī)療成像系統(tǒng),以及雷達(dá)和安全通信。ADI公司是JESD204標(biāo)準(zhǔn)委員會(huì)的創(chuàng)始成員,我們同時(shí)開(kāi)發(fā)出了兼容的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器技術(shù)和工具,并推出了全面的產(chǎn)品路線圖。通過(guò)為客戶提供結(jié)合了我們先進(jìn)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器技術(shù)以及集成JESD204A/JESD204B接口的產(chǎn)品,我們有望充分利用這項(xiàng)重大的接口技術(shù)突破,幫助客戶解決系統(tǒng)設(shè)計(jì)難題。

寬帶數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器應(yīng)用的JESD204B與串行LVDS接口考量

圖3.JESD204具有高速串行I/O能力,能夠解決系統(tǒng)PCB復(fù)雜性挑戰(zhàn)。

作者簡(jiǎn)介

George Diniz是ADI公司高速數(shù)模轉(zhuǎn)換器部門(北卡羅來(lái)納州格林斯博羅)的產(chǎn)品線經(jīng)理。他領(lǐng)導(dǎo)的開(kāi)發(fā)團(tuán)隊(duì),負(fù)責(zé)開(kāi)發(fā)JESD204B接收器和收發(fā)器接口內(nèi)核,用于集成到高速模數(shù)和數(shù)模轉(zhuǎn)換器產(chǎn)品中。他擁有25年半導(dǎo)體行業(yè)工作經(jīng)驗(yàn),擔(dān)任過(guò)設(shè)計(jì)工程和產(chǎn)品線管理等各種職務(wù)。在加入ADI之前,George是IBM的一名設(shè)計(jì)工程師,他在IBM從事功率PC處理器的自定義SRAM宏、PLL和DLL函數(shù)的混合信號(hào)設(shè)計(jì)。他擁有北卡羅來(lái)納州立大學(xué)電氣工程碩士學(xué)位(MSEE)和曼哈頓學(xué)院電氣工程學(xué)士學(xué)位(BSEE)。在娛樂(lè)方面,George喜歡戶外活動(dòng)、修理汽車和跑步。


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