高帶寬數(shù)據(jù)接口總線的寬度如何降低

在工業(yè)實現(xiàn)當中，需要降低總線接口的寬度，這里專門有一種設(shè)備叫工業(yè)用串行/解串器(SerDes)，它可以降低高帶寬數(shù)據(jù)接口總線寬度。使用一個串行器就可以把數(shù)據(jù)從一個寬并行數(shù)據(jù)流轉(zhuǎn)換為少字節(jié)甚至單通道低壓差分信號(LVDS)，有效降低了設(shè)計成本，提高了線纜選擇的靈活性。在到達傳輸目的地后，借助一個解串器，即可將數(shù)據(jù)恢復(fù)成并行數(shù)據(jù)流。串行器和解串器的應(yīng)用范圍廣泛多樣，本文介紹了數(shù)個應(yīng)用實例，以及該器件的優(yōu)點和存在的問題。

早期的SerDes產(chǎn)品，如圖1所示的Channel Link I器件，通過使用一個單獨的時鐘線把并行數(shù)據(jù)總線(寬度達48位)串行到多通道LVDS總線上。在此之前，通常是利用寬帶狀線纜的數(shù)據(jù)總線實現(xiàn)從點A到點B的數(shù)據(jù)傳輸。雖然此方案比以前好很多，但仍存在一些問題，比如，會出現(xiàn)對間延時差，電磁干擾(EMI)和線纜長度有限等諸多問題。對間延時差會限制線纜的可用長度，或?qū)е卤黄仁褂玫褪д婢€纜，這都會大幅提升成本。直到最近，這種解決方案還是最好甚至是唯一的。

圖1：早期SerDes產(chǎn)品

如今新的SerDes已解決了許多上一代SerDes所面臨的問題。新的解決方案通過把數(shù)據(jù)和時鐘串行到一個單差分對來消除線纜延時，讓設(shè)計師有更多的線纜選擇。新一代SerDes允許選用低成本線纜，比如雙絞線(UTP)或同軸線纜，從而無需選擇昂貴的低失真線纜。另一個重要改進是減少了電磁干擾的相關(guān)問題。當然，比起單端總線，采用LVDS信令已從內(nèi)部改善了電磁干擾情況。但很多新的SerDes都采用了諸如擴頻時鐘發(fā)生器(SSCG)、數(shù)據(jù)加擾以及數(shù)據(jù)編碼過程中的隨機化等嵌入式電磁干擾抑制技術(shù)，來衰減離散頻率/諧波。

由于SerDes在傳輸介質(zhì)中無法充分均衡輸入數(shù)據(jù)以補償寄生損耗，線纜的覆蓋范圍受到了限制。嘗試將線纜覆蓋范圍擴大到超過限制，通常會導(dǎo)致眼圖關(guān)閉，這將意味著數(shù)據(jù)不可恢復(fù)。對高速傳輸線理論了解甚少的實用主義者，會爭論說一條線纜不過是一個低通濾波器。但新一代的SerDes可以去加重、用電纜均衡補償高頻損失并放大接收信號，從而延長線纜的使用長度。按照此方案，在時序圖上眼圖就是“睜開”的，這樣數(shù)據(jù)的字節(jié)錯誤即便不能消除也可以減少一些。

如圖2a所示，美國國家半導(dǎo)體新一代的Channel Link II SerDes，在串行器DS92LV2421的發(fā)送階段即有去加重功能;而在解串器DS92LV2422的接收階段則有電纜均衡功能?？驁D下所示(圖2b)的是當運行數(shù)據(jù)率為1.8Gbps，在信號路徑上的三個測試點的模擬信號。左側(cè)圖片所示的是在去加重關(guān)閉的情況下，TP1處的波形，此時設(shè)定為-3.3dB。為了補償預(yù)計在傳輸介質(zhì)上會出現(xiàn)的高頻損耗，在發(fā)送端進行了去加重補償。在Channel Link II器件中，去加重和EQ都由寄存器控制，有8個設(shè)定值。如TP3處的數(shù)據(jù)所示，使用去加重和EQ可產(chǎn)生顯著的效果。在VOD=840mV(在TP1處的差分輸出電壓)時，無去加重或EQ信號，在TP3的幅度是290mV，抖動是403pS。而當信號DE=-3.3dB，EQ=3.3dB時，幅度是825mV，抖動是142pS。

圖2a：國半SerDes Channel Link II框圖

圖2b：Channel Link II信號鏈路上三個測試點的模擬信號

圖3是數(shù)據(jù)從TP1到TP3的示波器截圖，使用的是10米的CAT-6 STP線纜，運行數(shù)據(jù)負載為1.8Gbps。測試數(shù)據(jù)點位于解串器的輸入端，不附加EQ。可以看到均衡器在接收數(shù)據(jù)時變化明顯，當EQ設(shè)定為0dB，眼圖完全封閉;而當EQ是6dB時，眼圖完全打開。時鐘和數(shù)據(jù)恢復(fù)(CDR)電路是恢復(fù)數(shù)據(jù)的關(guān)鍵，在解串器內(nèi)CDR電路緊隨EQ階段后。CDR電路的設(shè)計目的在于恢復(fù)數(shù)據(jù)，避免字節(jié)錯誤，其眼圖呈50%或0.5UI(典型)閉合態(tài)。

圖3：數(shù)據(jù)從TP1到TP3的示波器截圖

Channel Link III器件DS92LX1621和DS92LX1622是SerDes的最新產(chǎn)品，解決了以往的所有問題。圖4顯示的串行器可以直接連接到16位LVCMOS并行總線攝像頭，該攝像頭可在單向交流耦合CML通道上串行數(shù)據(jù)。其中，攝像頭的時鐘和雙向I2C控制線也可編碼到串行數(shù)據(jù)中。串行數(shù)據(jù)、時鐘和I2C總線通過帶有分立時鐘的16位并行總線實現(xiàn)解串，經(jīng)I2C接口到幀接收器或FPGA的接收端。解串器無需額外的外部時鐘，這既降低了成本，也降低了設(shè)計難度。此外，解串器與串行器自動同步功能使其實現(xiàn)了真正的“即插即鎖”功能。

圖4：基于Channel Link III SerDes的應(yīng)用實例一

圖5所示的是工業(yè)用SerDes的一個更簡單靈活的應(yīng)用，用于實現(xiàn)顯示器與圖像或視頻處理器的遠距離溝通。本例中，視頻處理器包含21位的并行總線和顯示器，顯示器是一個由I2C控制的觸摸屏，裝在15米外。與上面的例子相同，數(shù)據(jù)、時鐘和I2C總線都被串行到數(shù)據(jù)負載為1.05Gbps(21×50MHz)的單差分對，具有很大的設(shè)計靈活性。在低成本媒介、遠距離或點對點的數(shù)據(jù)傳輸?shù)榷喾N應(yīng)用中，均可以使用這種SerDes。

圖5：基于Channel Link III SerDes的應(yīng)用實例二

工業(yè)用SerDes不僅應(yīng)用廣泛，還具有高度的靈活性。在圖4和圖5中，串行和解串前后的數(shù)據(jù)格式是一樣的。使用該SerDes轉(zhuǎn)化數(shù)據(jù)格式時，僅靠解串器即可完成數(shù)據(jù)格式的轉(zhuǎn)化。圖6顯示了DS92LV2421的工作流程，通過分立合成器、時鐘和控制信號接收24bit RGB數(shù)據(jù)，而后把數(shù)據(jù)串行到一個差分對上。其線纜接收端的數(shù)據(jù)即被DS92LV0422解串到4路LVDS通道和一路時鐘信道上。

圖6：DS92LV2421/ DS92LV2422的工作流程圖

本文討論的SerDes器件不局限于文中所列的視頻應(yīng)用，具有廣泛的用途。SerDes可以簡化產(chǎn)品架構(gòu)，降低成本，有效提高設(shè)計的靈活性。此外，SerDes系列具有內(nèi)置自測試(BIST)功能，可以實現(xiàn)高速串行鏈接測試，非常有助于系統(tǒng)調(diào)試和生產(chǎn)測試。由于使用了擴頻時鐘發(fā)生器，可以進一步減少電磁干擾。在I2C控制下，擴頻時鐘發(fā)生器可以為具體應(yīng)用選擇合適的時鐘擴頻(+/-0.5%，+/-1%或+/-2%)。