上電相位確定性：使用多芯片同步

將多個(gè)數(shù)字信號(hào)處理 （DSP） 模塊、寬帶數(shù)模轉(zhuǎn)換器 （DAC） 和寬帶模數(shù)轉(zhuǎn)換器 （ADC） 集成在單個(gè)單片芯片中，現(xiàn)在可以將耗電的 FPGA 資源卸載到允許更小尺寸、更低功耗、增加通道數(shù)的平臺(tái)，能夠以比以前更高的速率進(jìn)行采樣。除了這項(xiàng)新功能之外，這些集成電路 （IC） 中還配備了新穎的多芯片同步 （MCS） 算法，允許用戶在為系統(tǒng)供電或以其他方式對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行軟件修改時(shí)為所有通道實(shí)現(xiàn)已知（確定性）相位。因此，這個(gè)確定性階段簡(jiǎn)化了更廣泛的系統(tǒng)級(jí)校準(zhǔn)算法，這些算法需要在連接到這些 IC 的前端網(wǎng)絡(luò)的輸出或輸入處實(shí)現(xiàn)所有通道的同步。本文介紹了在使用由多個(gè)數(shù)字化儀 IC、時(shí)鐘源和數(shù)字接口組成的 16 通道接收器/發(fā)送器平臺(tái)時(shí)展示這種 MCS 能力的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

高級(jí)系統(tǒng)框圖

用于該測(cè)試的系統(tǒng)框圖如圖 1 所示，由四個(gè)集成 DAC/ADC/DSP IC 組成，每個(gè) IC 由四個(gè) 12 GSPS DAC、四個(gè) 4 GSPS ADC、12 個(gè)數(shù)字上變頻器 （DUC） 和 12 個(gè)數(shù)字下變頻器 （DDC） 塊。

圖 1. 用于演示 MCS 和多通道校準(zhǔn)算法的系統(tǒng)高級(jí)框圖。（來源：ADI）

DUC/DDC 允許在數(shù)字域內(nèi)進(jìn)行頻率轉(zhuǎn)換和/或插值/抽取。使用注入板上的單個(gè) 500 MHz 參考時(shí)鐘，然后使用參考鎖定時(shí)鐘緩沖器來生成 MCS 所需的系統(tǒng)參考信號(hào)以及與基帶處理器 （BBP） 的數(shù)字接口所需的時(shí)鐘。該系統(tǒng)還包含四個(gè)獨(dú)立的鎖相環(huán) （PLL） 合成器，這些合成器生成所需的 12 GHz 信號(hào)源，以從公共參考為每個(gè)數(shù)字化 IC 提供時(shí)鐘。一個(gè)射頻前端連接到每個(gè)數(shù)字化儀輸出/輸入，它創(chuàng)建一個(gè)經(jīng)過濾波和放大的信號(hào)到/來自邊緣發(fā)射的射頻連接器。實(shí)現(xiàn)了完整的配電解決方案。系統(tǒng)所需的所有電壓均由單個(gè) 12 V 電源產(chǎn)生。

子陣列時(shí)鐘樹結(jié)構(gòu)

如前所述，子陣列時(shí)鐘樹由單個(gè) 500 MHz 參考源組成，該參考源被拆分并發(fā)送到四個(gè)獨(dú)立 PLL 合成器 IC 的參考輸入，如上圖 1 所示。這個(gè) 500 MHz 信號(hào)也是 10 dB 耦合、放大的，并發(fā)送到另一個(gè)時(shí)鐘緩沖器 IC，該 IC 負(fù)責(zé)生成數(shù)字接口所需的系統(tǒng)參考 （SYSREF） 和 BBP 時(shí)鐘。這個(gè)時(shí)鐘樹的目標(biāo)是三重的，因?yàn)樗?/p>

允許單個(gè)通道 SYSREF 延遲以糾正 IC 之間的任何走線長(zhǎng)度不匹配。

允許單獨(dú)的 PLL/合成器相位調(diào)整，因此確保各個(gè)數(shù)字化儀 IC 時(shí)鐘源之間的同步，以補(bǔ)償系統(tǒng)內(nèi)任何感應(yīng)的熱梯度。

使用戶能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)字化 IC 的必要設(shè)置和保持要求。

選擇時(shí)鐘樹 IC 是為了證明可以借助這些芯片中存在的數(shù)字和模擬延遲塊在軟件和/或硬件中糾正各種電路板布局異常。最終結(jié)果是一個(gè)時(shí)鐘樹，它可以在每個(gè) IC 的相同采樣時(shí)鐘周期內(nèi)向所有需要的 IC 提供 SYSREF 脈沖。

帶基帶處理器的數(shù)字接口

四個(gè)數(shù)字化 IC 各建立一個(gè)與 BBP 的 JESD204B 或 JESD204C 數(shù)字鏈路接口。1，2該接口負(fù)責(zé)通過物理走線 （SERDES） 將 ADC 和 DAC 代碼傳輸?shù)?BBP 和從 BBP 傳輸。此接口中使用的差分 SERDES 跡線數(shù)稱為此鏈路的通道數(shù) （L）。通過鏈路發(fā)送的轉(zhuǎn)換器位分辨率被視為N‘。通道化數(shù)據(jù)路徑（也稱為虛擬轉(zhuǎn)換器）的數(shù)量標(biāo)記為 M。本文中顯示的結(jié)果使用 JESD204C 鏈路，其中 M = 16，N’ = 16，L = 4 用于 DAC 側(cè)鏈路，M = 8 ， N‘ = 16， L = 2 用于 ADC 側(cè)鏈路。

數(shù)字化儀 IC 和 BBP 之間傳輸和接收數(shù)據(jù)的速率稱為通道速率。硅片上的 DSP 模塊（即 DDC/DUC）允許用戶以與通過物理通道發(fā)送的數(shù)據(jù)速率不同的速率對(duì)數(shù)字化儀進(jìn)行采樣。因此，通道速率取決于每個(gè)數(shù)據(jù)路徑的數(shù)字抽取/內(nèi)插數(shù)據(jù)速率。對(duì)于這項(xiàng)工作，使用了 250 MSPS I/Q 數(shù)據(jù)速率。對(duì)于 JESD204C 接口，通道速率定義為：

而對(duì)于 JESD204B 接口，通道速率定義為：

本文中顯示的結(jié)果對(duì) ADC 端和 DAC 端 JESD204C 鏈路均使用 16.5 Gbps 的通道速率。

每個(gè) JESD204B/JESD204C 鏈路都可以在不同的子類中建立。這些子類根據(jù)是否需要多芯片同步或確定性延遲進(jìn)行分離。對(duì)于這項(xiàng)工作，顯示的數(shù)據(jù)使用 JESD204C 子類 1 模式，因此利用 SYSREF 信號(hào)來對(duì)齊通過系統(tǒng)內(nèi)存在的多個(gè)鏈路傳輸?shù)牟糠謹(jǐn)?shù)字?jǐn)?shù)據(jù)。具體來說，在此 JESD204C 子類 1 模式中，SYSREF 信號(hào)用于對(duì)齊本地?cái)U(kuò)展多塊計(jì)數(shù)器 （LEMC），其傳輸速率為：

其中 F 是每個(gè)通道每個(gè) JESD 幀的八位字節(jié)數(shù)，K 是每個(gè)單個(gè)多幀的幀數(shù)。對(duì)于這項(xiàng)工作，F(xiàn) = 8 和 K = 32，因此使用 7.8125 MSPS 的 LEMC 速率。了解這個(gè) LEMC 速率很重要，因?yàn)槿魏纬晒Φ?MCS 例程都需要證明不是 LEMC 速率整數(shù)倍的 RF 頻率能夠?qū)崿F(xiàn)確定性的上電階段。

多芯片同步方式

在該系統(tǒng)中，寬帶集成 ADC/DAC IC 提供 MCS 電路，以允許所有發(fā)射和接收 RF 通道上的上電確定性相位，即使在使用 IC 內(nèi)的 DUC/DDC DSP 模塊時(shí)也是如此。此 MCS 功能使用戶能夠在工廠校準(zhǔn)期間填充查找表 （LUT），以最大限度地減少操作停機(jī)時(shí)間。任何成功的 MCS 演示都必須能夠?yàn)槊總€(gè)嘗試的射頻頻率、熱梯度和系統(tǒng)功率循環(huán)提供系統(tǒng)內(nèi)所有通道的確定性相位。

集成的 ADC/DAC IC 包含 12 個(gè) DUC 模塊和 12 個(gè) DDC 模塊，如上圖 1 所示。這些模塊中的每一個(gè)都包含一個(gè)插值 （DUC） 或抽取 （DDC） 子模塊，用于更改 DAC 數(shù)字輸入信號(hào)的數(shù)據(jù)速率或ADC分別數(shù)字化輸出信號(hào)。每個(gè) DUC/DDC 中還包含一個(gè)復(fù)雜的數(shù)控振蕩器 （NCO），它允許在數(shù)字域內(nèi)進(jìn)行頻率轉(zhuǎn)換。這些 NCO 中的每一個(gè)都能夠進(jìn)行實(shí)時(shí)復(fù)雜相位調(diào)整，以便可以修改 DAC/ADC 和 BBP 之間的數(shù)字信號(hào)，以補(bǔ)償各種 SERDES 走線長(zhǎng)度不匹配。

這些 ADC/DAC IC 的 MCS 功能負(fù)責(zé)在數(shù)字化儀 IC 數(shù)據(jù)路徑的所有方面實(shí)現(xiàn)相位確定性。實(shí)現(xiàn) MCS 的工作流程如圖 2 所示。

圖 2. MCS 工作流程涉及對(duì)齊數(shù)據(jù)路徑不同部分的單獨(dú)功能。（來源：ADI）

MCS算法可以分為兩個(gè)獨(dú)立的功能：

一次性同步：此功能負(fù)責(zé)對(duì)齊通過子陣列系統(tǒng)內(nèi)所有數(shù)字化儀 IC 的物理通道發(fā)送的基帶數(shù)據(jù)。

NCO 主從同步：此功能負(fù)責(zé)對(duì)齊子陣列系統(tǒng)內(nèi)所有不同數(shù)字化儀 IC 中的所有 NCO。

一次性同步功能首先要求用戶定義 JESD 鏈路參數(shù)（例如 M、N’、L 等），然后為任何所需的 SYSREF 平均配置同步邏輯（如果使用連續(xù) SYSREF 脈沖）。此外，可以使用所需的 LEMC 延遲來強(qiáng)制 LEMC 在 SYSREF 邊沿之后的某個(gè)延遲處生成。完成此操作后，用戶隨后啟用每個(gè)數(shù)字化儀 IC 內(nèi)的一次性同步位，然后請(qǐng)求在同一時(shí)鐘周期內(nèi)將 SYSREF 脈沖發(fā)送到每個(gè) IC，如圖 3 所示。

圖 3. MCS 算法使用 SYSREF 信號(hào)實(shí)現(xiàn) one-shot 同步，使用 GPIO 信號(hào)實(shí)現(xiàn) NCO 主從同步以實(shí)現(xiàn)確定性相位。（來源：ADI）

對(duì)于這個(gè)系統(tǒng)，在時(shí)鐘緩沖器 IC 中引入了模擬精細(xì)延遲，以允許同步 SYSREF 到所有數(shù)字化儀 IC?？梢酝ㄟ^查詢每個(gè) IC 內(nèi)的寄存器來執(zhí)行后續(xù)檢查，以驗(yàn)證一次性同步過程是否成功執(zhí)行，這些寄存器提供有關(guān) SYSREF 信號(hào)和每個(gè) IC 鏈路的 LEMC 邊界之間的相位關(guān)系的信息。

一旦測(cè)量到穩(wěn)定相位（即一旦 SYSREF-LEMC 相位寄存器讀取 0），用戶就知道所有數(shù)字化儀 IC 的 LEMC 已對(duì)齊，然后用戶可以繼續(xù)進(jìn)行 NCO 主從同步過程。對(duì)于此活動(dòng)，為一次性同步描述的子任務(wù)包含在芯片制造商提供的應(yīng)用程序編程接口 （API） 中。

NCO 主從同步功能首先將子陣列中的一個(gè)數(shù)字化儀 IC 指定為主芯片，如圖 3 所示。然后，所有其他數(shù)字化儀都被視為從屬 IC。主 IC 的設(shè)置使該設(shè)備的 GPIO0 引腳配置為輸出并路由到三個(gè)從屬數(shù)字化儀 IC 的 GPIO0 網(wǎng)絡(luò)。從 GPIO0 網(wǎng)絡(luò)配置為輸入。然后，用戶可以選擇在 SYSREF 脈沖、LEMC 上升沿或 LEMC 下降沿觸發(fā)。對(duì)于本文中顯示的數(shù)據(jù)，LEMC 上升沿用作 NCO 主從同步觸發(fā)源，GPIO 網(wǎng)絡(luò)通過 BBP 路由，而不是在子陣列上本地路由。接下來，將 DDC 同步位切換為低電平，然后切換為高電平以啟動(dòng) ADC 端 NCO 同步算法。同樣地，

當(dāng)請(qǐng)求此觸發(fā)時(shí)，在下一個(gè) LEMC 上升沿，主數(shù)字化儀 IC 通過其 GPIO0 網(wǎng)絡(luò)將主輸出信號(hào)置為高電平。該信號(hào)傳播到每個(gè)從設(shè)備的 GPIO0 輸入。在下一個(gè) LEMC 邊緣，所有數(shù)字化儀 IC 都會(huì)經(jīng)歷 NCO 復(fù)位算法。此后，對(duì)于 NCO 主從同步算法，任何 LEMC 脈沖都將被忽略。與一次性同步一樣，這些 NCO 主從同步子任務(wù)包含在 API 函數(shù)中，以方便用戶使用。

使用一次性同步和 NCO 主從同步功能可將兩個(gè)輸入與每個(gè) DDC/DUC 對(duì)齊，以便每個(gè)接收和發(fā)送通道的輸出相位偏移在多個(gè)電源周期后可重復(fù)，如圖 4 所示。圖 4 中顯示了在每次重啟期間系統(tǒng)在靜態(tài)熱梯度下運(yùn)行時(shí)，每個(gè)接收和發(fā)送信道器在 100 個(gè)電源周期（由多個(gè)實(shí)心點(diǎn)表示）上的校準(zhǔn)相位偏移。

圖 4. 執(zhí)行 MCS 算法時(shí)，接收精細(xì) DDC（左）和發(fā)送精細(xì) DUC（右）正確對(duì)齊。（來源：ADI）

從該圖中的多個(gè)點(diǎn)可以看出，給定 DDC/DUC 的每種顏色的點(diǎn)在電源循環(huán)后都緊密聚集到同一位置，從而描繪了該特定通道的確定性階段。對(duì)于本次測(cè)試中的數(shù)據(jù)，所有八個(gè)通道器 DUC 都已用于發(fā)送端，而八個(gè)通道器 DDC 中僅使用了四個(gè)。然而，已經(jīng)證實(shí)確實(shí)所有八個(gè)信道器 DDC 在使用 MCS 算法的同時(shí)也提供確定性相位。

如果 PLL 合成器采樣時(shí)鐘和時(shí)鐘 IC SYSREF 在啟動(dòng)時(shí)保持相同的相位關(guān)系，則在啟動(dòng)時(shí)發(fā)出此算法將為每個(gè)通道建立確定性相位。然而，任何系統(tǒng)都會(huì)經(jīng)歷熱梯度，這會(huì)導(dǎo)致 PLL 時(shí)鐘漂移，如果不進(jìn)行補(bǔ)償，可能會(huì)導(dǎo)致不同的上電階段。為了補(bǔ)償系統(tǒng)內(nèi)的熱梯度漂移，該平臺(tái)利用 PLL 合成器相位調(diào)整。

在本系列文章的下一部分中，我們將探討 PLL 合成器相位調(diào)整、多個(gè)子陣列的可擴(kuò)展性以及系統(tǒng)級(jí)校準(zhǔn)算法。

參考

1 德爾瓊斯?！?JESD204C 入門：有哪些新內(nèi)容和內(nèi)容適合您——第 1 部分。” 模擬對(duì)話，卷。53，第 2 號(hào)，2019 年 6 月。

2 德爾瓊斯?！?JESD204C 入門：有哪些新內(nèi)容和內(nèi)容適合您——第 2 部分。” 模擬對(duì)話，卷。53，第 3 號(hào)，2019 年 7 月。

Mike Jones是 ADI 公司的首席電氣設(shè)計(jì)工程師，在北卡羅來納州格林斯伯勒的航空航天和國防業(yè)務(wù)部門工作。他于 2016 年加入 ADI。從 2007 年到 2016 年，他在北卡羅來納州威爾明頓的通用電氣工作，擔(dān)任微波光子設(shè)計(jì)工程師，專注于核工業(yè)的微波和光學(xué)解決方案。他于 2004 年獲得北卡羅來納州立大學(xué)的 BSEE 和 BSPE，并于 2006 年獲得北卡羅來納州立大學(xué)的 MSEE。

Michael Hennerich于 2004 年加入 ADI。作為一名系統(tǒng)和應(yīng)用設(shè)計(jì)工程師，他從事各種基于 DSP/FPGA 和嵌入式處理器的應(yīng)用和參考設(shè)計(jì)。Michael 現(xiàn)在在德國慕尼黑的 System Development Group （SDG） 擔(dān)任開源系統(tǒng)工程經(jīng)理。在這個(gè)職位上，他領(lǐng)導(dǎo) ADI 的設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序和內(nèi)核開發(fā)團(tuán)隊(duì)，為各種混合信號(hào) IC 產(chǎn)品和 HDL 接口內(nèi)核開發(fā)設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序。他擁有碩士學(xué)位。計(jì)算機(jī)工程學(xué)位和Dipl.-Ing。（FH） 羅伊特林根大學(xué)電子和信息技術(shù)學(xué)位。

Peter Delos是位于北卡羅來納州格林斯伯勒的 ADI 公司航空航天和國防事業(yè)部的技術(shù)主管。他于 1990 年獲得弗吉尼亞理工大學(xué)電氣工程學(xué)士學(xué)位，并于 2004 年獲得新澤西理工學(xué)院電氣工程碩士學(xué)位。Peter 擁有超過 25 年的行業(yè)經(jīng)驗(yàn)。他職業(yè)生涯的大部分時(shí)間都花在設(shè)計(jì)架構(gòu)級(jí)、PWB 級(jí)和 IC 級(jí)的高級(jí)射頻/模擬系統(tǒng)上。他目前專注于小型化用于相控陣應(yīng)用的高性能接收器、波形發(fā)生器和合成器設(shè)計(jì)。