消除影響JESD204B鏈路傳輸?shù)囊蛩?/h1>
JESD204B串行數(shù)據(jù)鏈路接口針對支持更高速轉(zhuǎn)換器不斷增長的帶寬需求而開發(fā)。作為第三代標(biāo)準(zhǔn)，它提供更高的通道速率最大值(每通道高達(dá)12.5 Gbps)，支持確定延遲和諧波幀時(shí)鐘。此外，得益于轉(zhuǎn)換器性能的提升--這些轉(zhuǎn)換器兼容開放市場FPGA解決方案，并且可擴(kuò)展--現(xiàn)已能輕松傳輸大量待處理的數(shù)據(jù)。
FPGA供應(yīng)商已討論了許多年有關(guān)千兆串行/解串(SERDES)接口的話題，雖然過去大部分模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)和數(shù)模轉(zhuǎn)換器(DAC)并未配備這類高速串行接口。FPGA和轉(zhuǎn)換器不與任何通用標(biāo)準(zhǔn)接口，無法利用SERDES的高帶寬。JESD204B兼容型轉(zhuǎn)換器能夠解決這個(gè)問題，而人們針對這種新功能提出了一些問題。
什么是8b/10b編碼，為什么JESD204B接口需使用這種編碼?
無法確保差分通道上的直流平衡信號(hào)不受隨機(jī)非編碼串行數(shù)據(jù)干擾，因?yàn)楹苡锌赡軙?huì)傳輸大量相反的1或0數(shù)據(jù)。通過串行鏈路傳輸?shù)碾S機(jī)數(shù)據(jù)還可能長時(shí)間無活動(dòng)狀態(tài)，并在相對較長的時(shí)間內(nèi)為全1或全0。
發(fā)生這種情況時(shí)，未編碼串行數(shù)據(jù)流的直流平衡被隔離，產(chǎn)生兩種極端情況中的一種。此時(shí)，若鏈路上再次傳輸有效數(shù)據(jù)，則很有可能發(fā)生位錯(cuò)誤，因?yàn)榫€路重新開始偏置。另外，一個(gè)長期的問題是電子遷移，因?yàn)橄鄬Σ罘謱Φ牧硪粋?cè)，會(huì)保持一側(cè)的差分直流電壓。為了克服這些問題，通常在差分串行數(shù)據(jù)流中(包括JESD204B)采用8b/10b編碼方案。
8b/10b編碼采用10個(gè)數(shù)據(jù)位，通過查找表方式從源端發(fā)送器發(fā)送8位初始信息。這種方式具有25%的固有開銷(10b/8b= 1.25)，效率較低。此外，編碼允許每個(gè)10位符號(hào)傳輸至少3位(但不超過8位)數(shù)據(jù)。這樣可確保接收器有足夠的轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)來恢復(fù)內(nèi)嵌的時(shí)鐘信息，而無論底層數(shù)據(jù)的動(dòng)態(tài)活動(dòng)狀態(tài)如何。
使用8b/10b編碼時(shí)，串行數(shù)據(jù)流中二進(jìn)制0和1之間的偏差保持在±1以內(nèi)，因此信號(hào)長期保持直流平衡。然后，必須在接收器端的數(shù)據(jù)流上執(zhí)行10位到8位的反向解碼，才能利用反向查找表恢復(fù)原始數(shù)據(jù)。更為高效的64b/66b編碼工作原理與此相似，但開銷僅為3.125%.這種方式更為先進(jìn)，可能會(huì)用于未來的JESD204發(fā)布版中。
我為轉(zhuǎn)換器分配的JESD204B通道在系統(tǒng)板上無法順利路由至FPGA.交叉對太多，非常容易受串?dāng)_影響。能否重新映射JESD204B的通道分配，改善布局?
雖然轉(zhuǎn)換器的JESD204B串行通道可能由數(shù)字、字母或其他術(shù)語指定其完整鏈路的特定關(guān)系，但這種關(guān)系并非一定要保持固定不變。規(guī)范允許在初始配置數(shù)據(jù)中重新映射分配關(guān)系，只要每個(gè)通道和器件都有獨(dú)特的識(shí)別號(hào)即可。鏈路配置數(shù)據(jù)包含器件和通道識(shí)別號(hào)，可識(shí)別其操作。利用該信息，通過縱橫式多路復(fù)用器，多通道發(fā)送器就可方便地重新分配任何數(shù)字邏輯串行數(shù)據(jù)至任何物理輸出通道。
雖然這只是規(guī)范許可的一個(gè)可選功能，但如果ADC供應(yīng)商提供縱橫式多路復(fù)用器功能，可將邏輯輸出重新分配給物理輸出，那么鏈路I/O就能重新配置為最佳順序，為布局布線提供最大程度的便利。FPGA接收器可接收相同的初始配置數(shù)據(jù)，并改變預(yù)期通道分配，恢復(fù)數(shù)據(jù)。有了這一功能，從一個(gè)器件到另一個(gè)器件的通道路由便簡單得多，并可獨(dú)立于硅片供應(yīng)商在數(shù)據(jù)手冊中分配的初始名稱。
我正嘗試在我系統(tǒng)中設(shè)計(jì)一個(gè)使用JESD204B多點(diǎn)鏈路的轉(zhuǎn)換器。它與單點(diǎn)鏈路有何不同?
JESD204B規(guī)范提供稱為“多點(diǎn)鏈路”的接口。它是一種連接三個(gè)或三個(gè)以上JESD204B設(shè)備的通信鏈路。取決于轉(zhuǎn)換器的使用方式，相比單點(diǎn)鏈路，這種鏈路配置在某些情況下更為有效。
比如，使用JESD204B的雙通道ADC.大部分情況下，雙通道ADC針對兩個(gè)轉(zhuǎn)換器提供單個(gè)時(shí)鐘輸入。它將迫使ADC以同樣的頻率進(jìn)行模擬采樣。但對于某些特定的應(yīng)用而言，這類器件也可能采用兩個(gè)獨(dú)立的輸入時(shí)鐘，每個(gè)時(shí)鐘可單獨(dú)驅(qū)動(dòng)對應(yīng)的ADC.這樣，兩個(gè)ADC之間便有可能產(chǎn)生采樣相位差，甚至每個(gè)ADC單獨(dú)以相互不相干的頻率進(jìn)行采樣。在后一種情況中，單個(gè)JESD204B鏈路上存在來自所有兩個(gè)轉(zhuǎn)換器的數(shù)據(jù)，若不采用復(fù)雜的后端FIFO方案，則無法正常工作。
該問題的一種解決方案是讓雙通道轉(zhuǎn)換器使用多點(diǎn)鏈路JESD204B接口，其中每個(gè)轉(zhuǎn)換器都使用各自獨(dú)立的串行鏈路輸出。然后便可針對每個(gè)ADC使用非相干時(shí)鐘，且每個(gè)串行鏈路的輸出可方便地單獨(dú)路由至獨(dú)立的FPGA或ASIC.多點(diǎn)鏈路配置還可用于將單個(gè)FPGA的多路數(shù)據(jù)流發(fā)送至多個(gè)DAC.隨著鏈路上器件數(shù)目的增加，在多點(diǎn)配置中最小化器件的時(shí)鐘分布偏斜將會(huì)是非常具有挑戰(zhàn)性的任務(wù)。
JESD204B中的確定延遲到底是什么? 它是否就是轉(zhuǎn)換器的總延遲?
ADC的總延遲表示其輸入一個(gè)模擬樣本、處理、并從器件輸出數(shù)字信號(hào)所需的時(shí)間。類似地，DAC的總延遲表示從數(shù)字樣本數(shù)據(jù)輸入器件直到模擬輸出相應(yīng)樣本的時(shí)間。通常，對這兩者都以分辨率為采樣時(shí)鐘周期進(jìn)行測量，因?yàn)樗鼈兣c頻率有關(guān)。這在原理上與JESD204B鏈路部署中描述的確定延遲的定義有所不同。
JESD204B鏈路的確定延遲定義為數(shù)據(jù)從發(fā)送器(ADC或源端FPGA)的并行幀數(shù)據(jù)輸入傳播至接收器(DAC或接收端FPGA)并行去幀數(shù)據(jù)輸出所需的時(shí)間。該時(shí)間通常以分辨率為幀時(shí)鐘周期或以器件時(shí)鐘進(jìn)行測量(圖1)。該定義不包括ADC的模擬前端內(nèi)核或DAC的后端模擬內(nèi)核。不僅兩個(gè)器件在這種延遲計(jì)算中作為函數(shù)使用，與兩個(gè)器件接口的串行數(shù)據(jù)信號(hào)路由也將作為函數(shù)參與計(jì)算。這意味著確定延遲在多轉(zhuǎn)換器系統(tǒng)或多點(diǎn)鏈路中，可能大于或小于確定延遲，具體取決于JESD204B通道的路由長度。接收器的緩沖器延遲有助于彌補(bǔ)路由造成的延遲差異。
圖1. 兩個(gè)互連設(shè)備的幀封裝器與去幀器之間JESD204B確定延遲的概念示例 延遲函數(shù)包括三個(gè)項(xiàng)：發(fā)送器、接收器和它們之間的接口傳播時(shí)間
JESD204B如何使用結(jié)束位?結(jié)束位存在的意義是什么?
JESD204B鏈路允許分配多于實(shí)際需要的信息空間，用來發(fā)送轉(zhuǎn)換器數(shù)據(jù)和控制位。如果某個(gè)特定轉(zhuǎn)換器或配置的數(shù)據(jù)未填滿整個(gè)空間，則以定義中的結(jié)束位填充。例如，N'= 16的空間大于打包后的13位實(shí)際數(shù)據(jù)(N = 13 + CS = 0)。這種情況下，將使用3個(gè)結(jié)束位填充未使用的數(shù)據(jù)空間(圖2)。[!--empirenews.page--]
圖2. 若轉(zhuǎn)換器僅使用13位采樣數(shù)據(jù)，則3個(gè)結(jié)束位可用于補(bǔ)充N'= 16的第二個(gè)8位字
結(jié)束位是無信息內(nèi)容的偽數(shù)據(jù)位，僅用于完全填充未使用的空間。如果以重復(fù)靜態(tài)值填充結(jié)束位，它們可能會(huì)產(chǎn)生干擾雜散噪聲;但也可用來代表偽隨機(jī)序列。發(fā)送器和接收器都必須根據(jù)鏈路配置了解這些位不含信息，從而接收器可方便地將它們從相關(guān)數(shù)據(jù)流中去除。
我的鏈路模式?jīng)]有任何問題，但在正常工作模式下發(fā)送器不發(fā)送數(shù)據(jù)。在歷代轉(zhuǎn)換器中，低壓差分信號(hào)(LVDS)和并行接口允許對DAC或ADC的最低有效位(LSB)或最高有效位(MSB)進(jìn)行簡單探測/調(diào)試，檢查函數(shù)轉(zhuǎn)換器是否正在工作。使用JESD204B接口時(shí)如何探測MSB或LSB?
這是JESD204B接口的少數(shù)幾個(gè)弊端之一。對LSB或MSB I/O進(jìn)行電探測以便查看轉(zhuǎn)換器兩個(gè)方向的鏈路上是否存在正確的活動(dòng)并不容易。這是因?yàn)椋蓸訑?shù)據(jù)以通道為單位進(jìn)行串行化，因此無法輕易電探測特定的加權(quán)數(shù)據(jù)位。然而，如果您希望快速了解轉(zhuǎn)換器是否正在發(fā)送或接收任何有效數(shù)據(jù)(如果確實(shí)存在這些數(shù)據(jù)的話)，那么依然可以采用某些方法實(shí)現(xiàn)。
某些示波器供應(yīng)商提供實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)處理以便串行解碼8b/10b數(shù)據(jù)，并在示波器屏幕上顯示未編碼數(shù)據(jù)流。采用這種方法可以探測未加擾數(shù)據(jù)，從而確定鏈路上正在進(jìn)行何種活動(dòng)。
FPGA供應(yīng)商提供內(nèi)部探測軟件工具，通過一個(gè)USB加密狗將其與計(jì)算機(jī)相連，為系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員提供一種觀察FPGA內(nèi)發(fā)送和接收I/O數(shù)據(jù)的方法。另外，某些ASIC和轉(zhuǎn)換器提供內(nèi)部串行回送自測模式，可用于辨認(rèn)鏈路上的數(shù)據(jù)問題。
假設(shè)其他鏈路參數(shù)已知，如何計(jì)算轉(zhuǎn)換器的通道速率?
如果已知轉(zhuǎn)換器、ASIC或FPGA的其他關(guān)鍵參數(shù)，則使用JESD204B的系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員能方便地計(jì)算出鏈路的通道數(shù)或通道速率。所有基本鏈路參數(shù)都有如下所示的數(shù)學(xué)關(guān)系，可以據(jù)此計(jì)算未知變量。根據(jù)計(jì)算結(jié)果，系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員能夠在轉(zhuǎn)換器或FPGA限定的架構(gòu)內(nèi)選擇其他參數(shù)，改變鏈路操作。
通道速率 = (M × N‘× [10/8] × Fs) / L
其中，M表示鏈路上轉(zhuǎn)換器的數(shù)量，N’表示單個(gè)樣本內(nèi)信息位的數(shù)量(包括樣本分辨率、控制和結(jié)束位)，F(xiàn)s表示是器件或采樣時(shí)鐘，L表示通道數(shù)，通道速率表示單個(gè)通道的位速率，10/8表示8b/10b編碼的鏈路開銷。
例如，考慮雙通道ADC的情況：N'= 16,Fs = 235 MHz使用兩個(gè)通道。什么是通道速率?
通道速率 = [2 × 16 × 1.25 × 235 MHz] / 2
通道速率 = 4700 Mbps或4.7 Gbps
什么是應(yīng)用層，它能做什么?
應(yīng)用層是JESD204B提供的一種方法，允許樣本數(shù)據(jù)映射到普通規(guī)格之外。這對于某些需要傳送數(shù)據(jù)樣本尺寸不同于鏈路N‘的轉(zhuǎn)換器模式而言非常有用。
使用應(yīng)用層，可將鏈路上原本通道數(shù)較低或通道速率較小的低效率配置變得更為高效。發(fā)送器和接收器都需要進(jìn)行配置才能了解特定的應(yīng)用層，因?yàn)樘囟ǖ霓D(zhuǎn)換器模式會(huì)定制或有針對性地對應(yīng)用層進(jìn)行設(shè)計(jì)。圖3顯示了一個(gè)示例，其中5個(gè)樣本被分配到通常僅能為4個(gè)樣本所占據(jù)的空間。
使用上一個(gè)問題中的等式進(jìn)行應(yīng)用層計(jì)算時(shí)，需使用有效N’而非實(shí)際N'.例如，下文所示的應(yīng)用層示例中，雖然實(shí)際的JESD024B樣本N‘參數(shù)為16,但可算出ADC樣本的有效N',因?yàn)樵摾幸?4位發(fā)送5個(gè)樣本。因此，Neff = 64/5 = 12.8.由于其他變量保持不變，通道速率將下降20%:
Neff/N' = 12.8 / 16 = 0.8。
圖3. ADC應(yīng)用層可將5個(gè)12位ADC樣本重新映射到4個(gè)JESD204B N'= 16樣本所用空間中 4位額外輔助信息可提供其他用途
前景如何?
隨著JESD204B在數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器市場上的不斷普及，FPGA平臺(tái)對知識(shí)產(chǎn)權(quán)(IP)的保護(hù)能力將推動(dòng)這種趨勢。雖然這項(xiàng)技術(shù)更為復(fù)雜，但由于更多的工程師開始使用JESD204B來設(shè)計(jì)新系統(tǒng)，未來有關(guān)這一話題的討論還將繼續(xù)。
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