SERDES的FPGA实现

芯片功能的增加和数据吞吐量的要求，促使芯片行业从较低数据率的并行连接，转向较高速度的串行连接。SERDES(Serializer-Dese rializer，)是经高速差分对，而不是经较低速度的并行总线传输串行化的数据。一个实例是用单个PCI-Express通道，替代传统的32位、64MHz PCI总线(可达到2.112Gb/s)，仅用4条线(运行在2.5GHz)，可达到4Gb/s总数据率。简言之，SERDES协议允许用较少的引脚数传输较高的数据率。

典型的SERDES的FPGA实现

图1给出在复杂的FPGA实现中各种可能的SERDES接口，包括数据通路(芯片到芯片，SPI 4.2，PCI-Express，SGM11)、背板(GbE/GSM11，PCI Express/AS，专用)接口、存储器接口(DDR1/Ⅱ SDRAM，QDRⅡ SRAM)。可由FPGA实现的芯片包括存储器控制器、帧调节器/MAC、DSP协处理器、控制板接口和背板驱动器。

SERDES接口有两类：源同步(SS)接口和时钟数据恢复(CDR)接口。这两类接口的基本差别是如何实现同步。源同步接口有一个伴随传输数据的分离时钟信号。CDR没有分离的时钟信号，代之以嵌入在数据开关转换中的时钟。这就是说，CDR接收机将锁相数据信号本身来得到时钟。表1给出这两类接口的基本差别。CDR接口通常运行在较高的速度和较长的距离，因而会带来较大的设计问题。基于此原因，本文主要集中在CDR方面。



图1 典型的SERDES应用

时钟数据恢复

时钟数据恢复(CDR)接收机必须恢复来自数据的嵌入式时钟。更确切地说，时钟起源于数据信令的开关转换。CDR发送到串行化数据开始，然后，变换数据为8b/10b(或类似的编码方法)。编码取8位数据，并变换此数据为10位符号。8b/10b编码在数据线上提供一个相等“0”和“1”传输。这会减弱符号间干扰，并提供足够的数据沿，使接收机锁相在输入数据流。发送器将增加系统时钟到发送位率，并以此位率发送8b/10b数据到TX差分对。

CDR接收器的工作从在RX差分位流上锁相开始。然后，接收器在每个恢复时钟位校准数据。下一步，数据在接收器的参考时钟校准字。最后，数据是8b/10b译码，准备用于系统。在CDR系统中，发送和接收系统，通常具有独立的系统时钟。两个时钟都处在特定的变化要求内，这是关键。此阈值是几百PPM(百万分率)量级。
　　
CDR接口的主要设计问题是抖动。抖动是实际数据传输布局的相对理想状况。总抖动(TJ)是由确定性抖动和随机抖动组成。大部分抖动是确定性的，其分量包括符号间干扰、占空比失真和同期抖动(即来自开关电源的干扰)。随机抖动往往是半导体热问题的副产物，而难断定。发送参考时钟、发送PLL、串行器和高速输出缓冲器，都对发送抖动有贡献。发送抖动通常标定为给定位周期或数据眼图的单位间隔(UI)百分比。例如，抖动.2UI表示抖动为位周期20%。对于发送抖动，U1数越小越好，这表明抖动较小。
　　
表1 源同步和时钟数据恢复



同样，CDR接收器标定在给定的位率所允许的最大抖动值。典型的误码率标准是1e-12(每1e 12位一个误差)。接收抖动也标定为U1。U1越大，表明接收机可以允许更大抖动。典型接收机指标是.8U1，这意味着位周期的80%可以是噪声，而接收机仍然能够可靠地接收数据。抖动通常用统计bell分布量化表示。

SERDES测试和眼图

由于抖动是SERDES系统中的主要解决的问题，所以，抖动也是测试测量的一个焦点。测量抖动是用高性能示波器连接SERDES信号，观测“数据眼图”。对于给定差分对r的眼图是很多状态过渡的重叠。取样窗口足够的宽，能保证包含图中的两个交叉点。这种合成图看起来象一个眼睛，此图提供信号质量和抖动的直观目测方法。总之，眼睛打开越宽，信号越好。

图2示出在示波器上看到的典型眼图。在此眼图中，V量测对1.2V总电压摆幅(从逻辑O到逻辑1)的眼打开的高度。有3个宽度(或时间)测量：U1量测全位周期，H量测共模电压下全打开，T量测最小和最大解扣电压间的宽度。H、T和V值越大，表明眼睛越宽、因而，信号越好，抖动越小。



图2 数据眼图

抖动测量装置

为了检测发送抖动，由误码率测试器(GERT)产生测试图形，并送到评估板的SERDES接收端口。同样，时钟产生器连接到评估板的SERDES时钟。把FPGA配置为内部环回被测信道。这样，被接收的测试图形在TX引脚发送。示波器连接到TX SERDES连接器，这样可以分析发送抖动眼图。所有评估板SERDES连接都用50? SMA连接。图3示出这种配置。

用FPGA SERDES接收端口处的施感抖动和监控环回SERDES输出的误码，来测量接收抖动容限。连接抖动产生器到BERT图形产生器(见图3)。BERT产生器送一个伪随时机图形序列到评估板的SERDES SMA输入。这种配置可使工程师在控制状态下，引入抖动到SERDES RX端口。配置FPGA用于环回，SERDES TX端口连接BERT上的误码检测器端口，工程师引入抖动，并观察FPGA所产生的误码率(BER)。当BER超出技术要求时，就可知道已超出抖动容限阈值。对于FPGA，此数值就等于或大于特定的接收抖动容限。



图3 抖动测试设备配置

背板性能测量

通过一个背板配置驱动FPGA的TX信号，可以测量FPGA的SERDES链路发送特性，并可以分析背板输出的眼图。此装置首先用BERT图形产生器，把PRBS位流馈入FPGA评估板的SMA RX端口。用环回配置的TPGA，PRBS将呈现在评估板TX端口，并驱动馈入背板的同轴缆线。系统要求决定测试参量，如PRBS图形选择，背板和FPGA评估板线长、用轴缆线长度、预矫和均衡设置、工作温度和Vcc。

图4示出用Lattice SC FPGA，此测试装置采样的9个眼图。每个眼图下面的数字是测量的眼高(由图2测量V)。注意，增加预矫可改善每个位率下的眼图。预矫是发生在缆线和背板中信号衰减的SERDES发送器补偿。这种Lattice SC FPGA，所需的眼高度是85mV，所以，16%预矫，在3.8Gb/s取晴图仅仅是取样，这不能满足要求。



图4 在不同SERDES数据率增加预加重
　
结语

本文给出了SERDES接口的FPGA实现方法在选择FPGA时，应该考虑可能的信道数、信道的配置灵活性、接口速度、SERDES IP、传输性能指标和电气性能要求。FPGA产品和SERDES的速度和市场占有率正在增大。了解它们的能力和所遇到的问题，设计人员可以增加其产品的可靠性功能，以及加快上市时间。(彭京湘)

来源:电子产品世界