ESIstream IP–簡化確定性數(shù)據(jù)序列化的設(shè)計(jì)

概述

當(dāng)使用現(xiàn)代寬帶數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器時(shí)，管理產(chǎn)生的高速串行數(shù)據(jù)流是一個(gè)巨大的挑戰(zhàn)。ESIstream是一個(gè)開源的串行數(shù)據(jù)接口協(xié)議，成本極低，支持多種FPGA架構(gòu)的簡單硬件實(shí)現(xiàn)，并占用最小的資源。簡單來說，它是JEDEC的JESD204B子集1和2標(biāo)準(zhǔn)的開源替代方案。另外，ESIstream可為用戶帶來很多好處，這里將討論其中的一些，包括低復(fù)雜度、低鏈接延遲和實(shí)現(xiàn)確定性延遲的簡單方案。

本文將僅闡述ESIstream的架構(gòu)，因?yàn)楫?dāng)前有很多文檔已很好地描述了JESD204B的標(biāo)準(zhǔn)。然后我們將揭示這兩種協(xié)議之間的細(xì)微區(qū)別，并介紹Teledyne e2v，ESIstream協(xié)議的開發(fā)者，已決定發(fā)布自己的ESIstream VHDL IP，以進(jìn)一步簡化用戶的使用。

串行的歷史

新千年以來，數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器技術(shù)和CMOS工藝的發(fā)展開始到達(dá)功能的瓶頸。起初，高速ADC和DAC(fs>10MHz)采用并行數(shù)據(jù)接口，這意味著在印刷電路板(PCB)上需從每個(gè)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器上引出/引入大量的布線(圖1)。隨著采樣率和輸出數(shù)據(jù)速率的提高，PCB設(shè)計(jì)變得越來越有挑戰(zhàn)性。而串行化接口，起初使用LVDS(低壓差分型號(hào))，最近則使用串行器/解串器(SERDES)接口(時(shí)鐘嵌入在數(shù)據(jù)流中)，為這種數(shù)據(jù)傳送的挑戰(zhàn)提供了一種解決方案，并可簡化PCB布線，大大推進(jìn)形狀參數(shù)的發(fā)展。這種接口的簡化對(duì)鏈接的兩端都有利(圖1)。Serdes鏈接進(jìn)一步簡化了PCB的設(shè)計(jì)，因?yàn)闊o需保證數(shù)據(jù)線長度匹配。

圖1 串行鏈接如何降低互聯(lián)負(fù)荷

然而，經(jīng)過了很多年，才有了一種串行方案解決了寬帶數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器帶來的所有系統(tǒng)級(jí)挑戰(zhàn)。實(shí)現(xiàn)確定性延遲是同時(shí)采樣的前提，人們付出了很多努力研究它。下表(表1)展示了過去12年甚至更長時(shí)間里JESD204標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)展和開源ESIstream的發(fā)展。

串行數(shù)據(jù)的一個(gè)顯著的優(yōu)點(diǎn)是，當(dāng)分辨率提高時(shí)，器件的封裝無需包含額外的數(shù)據(jù)線，這可以幫助限制引腳數(shù)的增加。但是，串行化的缺點(diǎn)是由于引入了編碼/解碼流程，且通過某些額外的接收路徑彈性緩沖器補(bǔ)償路徑之間的對(duì)齊度，導(dǎo)致增加了額外的傳遞延遲。

圖2 串行化引入互聯(lián)延遲

串行化也可幫助管理數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器的電源需求，因?yàn)樗芙档蛦蝹€(gè)器件需要的特定輸出驅(qū)動(dòng)器的數(shù)目。而且，通過實(shí)現(xiàn)差分串行線，可幫助減少復(fù)雜系統(tǒng)中產(chǎn)生的電氣噪聲，以保證良好的動(dòng)態(tài)范圍。另外，編碼方案也可分散頻譜噪聲，而且差分信號(hào)可降低串?dāng)_。

事實(shí)上，直到現(xiàn)在，早期串行接口依然不能很好地支持多個(gè)并行通道的應(yīng)用，設(shè)計(jì)師依然會(huì)面臨板級(jí)設(shè)計(jì)的挑戰(zhàn)。

ESIstream 具體實(shí)現(xiàn)

現(xiàn)在讓我們看一下ESIstream的核心要素。ESIstream使用14b/16b的數(shù)據(jù)編碼算法，低有效位優(yōu)先，支持超過13Gbps的線路速率。它支持12位和14位的轉(zhuǎn)換器。協(xié)議使用線性回饋移位寄存器加擾技術(shù)，為每個(gè)數(shù)據(jù)字加入不均等位和時(shí)鐘同步位(2個(gè)bit的額外負(fù)擔(dān))，如圖3。通過這種方式，它的編碼效率高達(dá)87.5%，比JESD204B(8b/10b的編碼流)略高。不均等位(DB)可在CLK位切換使能同步監(jiān)控時(shí)，保持?jǐn)?shù)據(jù)鏈間的DC平衡。

圖3 ESIstream 基本數(shù)據(jù)幀

ESIstream發(fā)射端(Tx)和接收端(Rx)核心的上層框圖如圖4和圖5所示。

圖4 ESIstream的Tx路徑

圖5 ESIstream的Rx路徑

ESIstream編碼算法被設(shè)計(jì)成可減少串行接口的物理限制。最重要的是，發(fā)射端和接收端之間的鏈接需要AC耦合?？紤]到這一點(diǎn)，發(fā)射的數(shù)據(jù)要確保DC平衡，否則鏈接耦合電容可能漂移，導(dǎo)致數(shù)據(jù)眼圖閉合，破壞接收的數(shù)據(jù)。

在接收端，時(shí)鐘和數(shù)據(jù)恢復(fù)(CDR)模塊通常使用PLL鎖到發(fā)射的信號(hào)，這樣無需使用獨(dú)立的時(shí)鐘線。但是，為了使得CDR鎖定并保持鎖定狀態(tài)，需保證傳送的信號(hào)經(jīng)過特定的變換次數(shù)。為發(fā)送的數(shù)據(jù)加擾是為了維持DC平衡，確保鏈接保持鎖定。ESIstream的開發(fā)者希望限制數(shù)字設(shè)計(jì)的復(fù)雜度，于是采用附加的算法最小化錯(cuò)誤傳遞。這種算法基于斐波那契數(shù)列，長度為217-1。此外還應(yīng)用了14位的移位。轉(zhuǎn)換流程輸出的有用數(shù)據(jù)和線性反饋移位寄存器數(shù)據(jù)(偽隨機(jī)碼)進(jìn)行異或操作，如圖6。

圖6 通過與LSFR碼異或?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)加擾

加擾之后，14位的數(shù)據(jù)結(jié)果被編碼成16位的數(shù)據(jù)幀。第一個(gè)附加位時(shí)鐘位，隨著每個(gè)連續(xù)幀切換。第二個(gè)附加位不均等位根據(jù)不均等計(jì)數(shù)器(RDC)的當(dāng)前狀態(tài)設(shè)置。兩種RDC狀態(tài)可導(dǎo)致：

1.RDC小于+/-16，不均等位設(shè)置為‘0’。

2.RDC大于+/-16，不均等位設(shè)置為‘1’，數(shù)據(jù)反向(按位非運(yùn)算)。這個(gè)操作可滿足Rx PLL鎖定的最小轉(zhuǎn)換次數(shù)的要求，并滿足鏈接DC平衡的需要。在正常操作下，接收端首先檢查不均等位。如果它為高，則在去擾前反向接收的數(shù)據(jù)。如果它為低，則直接對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行去擾操作。對(duì)于確定性操作，ESIstream要求鏈接同步，即發(fā)射端和接收端的數(shù)據(jù)幀對(duì)齊，鏈接兩端的加擾引擎在同樣的初始化狀態(tài)。同步分兩步，幀對(duì)齊和偽隨機(jī)位序列(PRBS)初始化。

圖7 ESIstream 鏈接同步幀

接收端通過使能SYNC啟動(dòng)流程。這個(gè)脈沖應(yīng)該持續(xù)至少一個(gè)幀周期。然后發(fā)射端發(fā)送一個(gè)32幀的對(duì)齊樣式(圖7)。在接收端，這個(gè)保留的序列繞過加擾和不均等的處理，使接收端和發(fā)射端時(shí)序?qū)R。在對(duì)齊幀之后，發(fā)射端立刻發(fā)送一個(gè)32幀的PRBS數(shù)據(jù)——包含14位的PRBS以及時(shí)鐘和不均等信息。經(jīng)過正確地處理，接收端LFSR由接收端的PRBS字初始化。這時(shí)鏈接已同步(圖8)。用戶可在接收端通過觀察時(shí)鐘位，連續(xù)監(jiān)控同步狀態(tài)。如果時(shí)鐘位在某一幀沒有切換，則出現(xiàn)了同步問題，需復(fù)位鏈接重新同步。

圖8 ESIstream接收端線路同步序列

通過加擾以及時(shí)鐘位和不均等位的處理，ESIstream可保證確定的數(shù)據(jù)傳輸。