FPGA技術(shù)：SerDes是怎么設(shè)計(jì)的

FPGA發(fā)展到今天，SerDes(Serializer-Deserializer)基本上是標(biāo)配了。從PCI到PCI Express, 從ATA到SATA，從并行ADC接口到JESD204, 從RIO到Serial RIO,…等等，都是在借助SerDes來提高性能。SerDes是非常復(fù)雜的數(shù)?；旌显O(shè)計(jì)，用戶手冊的內(nèi)容只是描述了森林里面的一棵小樹,并不能夠解釋SerDes是怎么工作的。SerDes怎么可以沒有傳輸時(shí)鐘信號？什么是加重和均衡？抖動和誤碼是什么關(guān)系？各種抖動之間有什么關(guān)系？本篇小文試著從一個(gè)SerDes用戶的角度來理解SerDes是怎么設(shè)計(jì)的, 由于水平有限,一定有不夠準(zhǔn)確的地方,希望對剛開始接觸SerDes的工程師有所幫助。

1.????SerDes的價(jià)值

1.1并行總線接口

在SerDes流行之前,芯片之間的互聯(lián)通過系統(tǒng)同步或者源同步的并行接口傳輸數(shù)據(jù),圖1.1演示了系統(tǒng)和源同步并行接口。

隨著接口頻率的提高，在系統(tǒng)同步接口方式中,有幾個(gè)因素限制了 有效數(shù)據(jù)窗口寬度 的繼續(xù)增加。

l??時(shí)鐘到達(dá)兩個(gè)芯片的傳播延時(shí)不相等(clock skew)

l??并行數(shù)據(jù)各個(gè)bit的傳播延時(shí)不相等(data skew)

l??時(shí)鐘的傳播延時(shí)和數(shù)據(jù)的傳播延時(shí)不一致(skew between data and clock)
雖然可以通過在目的芯片(chip #2)內(nèi)用PLL補(bǔ)償時(shí)鐘延時(shí)差(clock skew)，但是PVT變化時(shí)，時(shí)鐘延時(shí)的變化量和數(shù)據(jù)延時(shí)的變化量是不一樣的。這又進(jìn)一步惡化了數(shù)據(jù)窗口。

源同步接口方式中，發(fā)送側(cè)Tx把時(shí)鐘伴隨數(shù)據(jù)一起發(fā)送出去, 限制了clock skew對有效數(shù)據(jù)窗口的危害。通常在發(fā)送側(cè)芯片內(nèi)部，源同步接口把時(shí)鐘信號和數(shù)據(jù)信號作一樣的處理，也就是讓它和數(shù)據(jù)信號經(jīng)過相同的路徑，保持相同的延時(shí)。這樣PVT變化時(shí)，時(shí)鐘和數(shù)據(jù)會朝著同一個(gè)方向增大或者減小相同的量,對skew最有利。

我們來做一些合理的典型假設(shè)，假設(shè)一個(gè)32bit數(shù)據(jù)的并行總線，??

a)發(fā)送端的數(shù)據(jù)skew = 50 ps????????????????????????---很高的要求
b)pcb走線引入的skew = 50ps??????????????????????---很高的要求
c)時(shí)鐘的周期抖動jitter = +/-50 ps???????????????---很高的要求
d)接收端觸發(fā)器采樣窗口 = 250 ps?????????????---Xilinx V7高端器件的IO觸發(fā)器

可以大致估計(jì)出并行接口的最高時(shí)鐘 = 1/(50+50+100+250) = 2.2GHz (DDR)或者1.1GHz (SDR)。

利用源同步接口，數(shù)據(jù)的有效窗口可以提高很多。通常頻率都在1GHz以下。在實(shí)際應(yīng)用中可以見到如SPI4.2接口的時(shí)鐘可以高達(dá)DDR 700MHz x 16bits位寬。DDR Memory接口也算一種源同步接口，如DDR3在FPGA中可以做到大約800MHz的時(shí)鐘。

要提高接口的傳輸帶寬有兩種方式，一種是提高時(shí)鐘頻率，一種是加大數(shù)據(jù)位寬。那么是不是可以無限制的增加數(shù)據(jù)的位寬呢？這就要牽涉到另外一個(gè)非常重要的問題-----同步切換噪聲(SSN)。

這里不討論SSN的原理，直接給出SSN的公式 SSN = L *N* di/dt。L是芯片封裝電感,N是數(shù)據(jù)寬度，di/dt是電流變化的斜率。隨著頻率的提高，數(shù)據(jù)位款的增加，SSN成為提高傳輸帶寬的主要瓶頸。圖1.2是一個(gè)DDR3串?dāng)_的例子。圖中低電平的理論值在0V,由于SSN的影響，低電平表現(xiàn)為震蕩，震蕩噪聲的最大值達(dá)610mV，因此噪聲余量只有1.5V/2-610mV=140mV。

?????????????????????????????????????????????????????Figure 1.2??DDR3串?dāng)_演示

因此也不可能靠無限的提高數(shù)據(jù)位寬來繼續(xù)增加帶寬。一種解決SSN的辦法是使用差分信號替代單端信號，使用差分信號可以很好的解決SSN問題，代價(jià)是使用更多的芯片引腳。使用差分信號仍然解決不了數(shù)據(jù)skew的問題，很大位寬的差分信號再加上嚴(yán)格的時(shí)序限制，給并行接口帶來了很大的挑戰(zhàn)。

1.2 SerDes接口

源同步接口的時(shí)鐘頻率已經(jīng)遇到瓶頸，由于信道的非理想(channel)特性，再繼續(xù)提高頻率，信號會被嚴(yán)重?fù)p傷，就需要采用均衡和數(shù)據(jù)時(shí)鐘相位檢測等技術(shù)。這也就是SerDes所采用的技術(shù)。SerDes(Serializer-Deserializer)是串行器和解串器的簡稱。串行器(Serializer)也稱為SerDes發(fā)送端(Tx)，(Deserializer)也稱為接收端Rx。Figure1.3是一個(gè)N對SerDes收發(fā)通道的互連演示,一般N小于4。

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可以看到，SerDes不傳送時(shí)鐘信號，這也是SerDes最特別的地方，SerDes在接收端集成了CDR(Clock Data Recovery)電路，利用CDR從數(shù)據(jù)的邊沿信息中抽取時(shí)鐘，并找到最優(yōu)的采樣位置。

SerDes采用差分方式傳送數(shù)據(jù)。一般會有多個(gè)通道的數(shù)據(jù)放在一個(gè)group中以共享PLL資源，每個(gè)通道仍然是相互獨(dú)立工作的。

SerDes需要參考時(shí)鐘(Reference Clock)，一般也是差分的形式以降低噪聲。接收端Rx和發(fā)送端Tx的參考時(shí)鐘可以允許幾百個(gè)ppm的頻差(plesio-synchronous system)，也可以是同頻的時(shí)鐘，但是對相位差沒有要求。

作個(gè)簡單的比較，一個(gè)SerDes通道(channel)使用4個(gè)引腳(Tx+/-,Rx+/-), 目前的FPGA可以做到高達(dá)28Gbps。而一個(gè)16bits的DDR3-1600的線速率為1.6Gbps*16 = 25Gbps,卻需要50個(gè)引腳。此對比可以看出SerDes在傳輸帶寬上的優(yōu)勢。

相比源同步接口，SerDes的主要特點(diǎn)包括:

l ?SerDes在數(shù)據(jù)線中時(shí)鐘內(nèi)嵌,不需要傳送時(shí)鐘信號。

l ?SerDes通過加重/均衡技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)高速長距離傳輸，如背板。

l??SerDes 使用了較少的芯片引腳

1.3?中間類型

也存在一些介于SerDes和并行接口之間的接口類型，相對源同步接口而言，這些中間類型的接口也使用串行器(Serializer)解串器(Deserializer)，同時(shí)也傳送用于同步的時(shí)鐘信號。這類接口如視頻顯示接口7:1 LVDS等。

2. SerDes結(jié)構(gòu)(architecture)

SerDes的主要構(gòu)成可以分為三部分，PLL模塊，發(fā)送模塊Tx，接收模塊Rx。為了方便維護(hù)和測試，還會包括控制和狀態(tài)寄存器，環(huán)回測試，PRBS測試等功能。見圖2.1。

?????????????????????????????????????????????????????Figure 2.1 Basic Blocks of a typical SerDes

圖中藍(lán)色背景子模塊為PCS層，是標(biāo)準(zhǔn)的可綜合CMOS數(shù)字邏輯，可以硬邏輯實(shí)現(xiàn)，也可以使用FPGA軟邏輯實(shí)現(xiàn)，相對比較容易被理解。褐色背景的子模塊是PMA層，是數(shù)?；旌螩ML/CMOS電路，是理解SerDes去別于并行接口的關(guān)鍵，也是本文要討論的內(nèi)容。

發(fā)送方向(Tx)信號的流向: FPGA軟邏輯(fabric)送過來的并行信號，通過接口FIFO(Interface FIFO), 送給8B/10B編碼器(8B/10B encoder)或擾碼器(scambler)，以避免數(shù)據(jù)含有過長連零或者連1。之后送給串行器(Serializer)進(jìn)行 并->串 轉(zhuǎn)換。串行數(shù)據(jù)經(jīng)過均衡器(equalizer)調(diào)理，有驅(qū)動器(driver)發(fā)送出去。

接收方向(Rx)信號的流向, 外部串行信號由線性均衡器(Linear Equalizer)或DFE (Decision Feedback Equalizer)結(jié)構(gòu)均衡器調(diào)理，去除一部分確定性抖動(Deterministic jitter)。CDR從數(shù)據(jù)中恢復(fù)出采樣時(shí)鐘，經(jīng)解串器變?yōu)閷R的并行信號。8B/10B解碼器(8B/10B decoder)或解擾器(de-scambler)完成解碼或者解擾。如果是異步時(shí)鐘系統(tǒng)(plesio-synchronous system)，在用戶FIFO之前還應(yīng)該有彈性FIFO來補(bǔ)償頻差。

PLL負(fù)責(zé)產(chǎn)生SerDes各個(gè)模塊所需要的時(shí)鐘信號,并管理這些時(shí)鐘之間的相位關(guān)系。以圖中線速率10Gbps為例,參考時(shí)鐘頻率250MHz。Serializer/Deserializer至少需要5GHz 0相位時(shí)鐘和5GHz 90度相位時(shí)鐘，1GHz(10bit并行)/1.25GHz(8bit并行)時(shí)鐘等。

一個(gè)SerDes通常還要具調(diào)試能力。例如偽隨機(jī)碼流產(chǎn)生和比對，各種環(huán)回測試，控制狀態(tài)寄存器以及訪問接口，LOS檢測, 眼圖測試等。

2.1串行器解串器(Serializer/Deserializer)

串行器Serializer把并行信號轉(zhuǎn)化為串行信號。Deserializer把串行信號轉(zhuǎn)化為并行信號。一般地，并行信號為8 /10bit或者16/20bit寬度，串行信號為1bit寬度(也可以分階段串行化，如8bit->4bit->2bit->equalizerà1bit以降低equalizer的工作頻率)。采用擾碼(scrambled)的協(xié)議如SDH/SONET, SMPTE SDI使用8/16bit的并行寬度，采用8B/10B編碼的協(xié)議如PCIExpress,GbE使用10bits/20bits寬度。

一個(gè)4:1的串行器如圖xxx所示。8:1或16:1的串行器采用類似的實(shí)現(xiàn)。實(shí)現(xiàn)時(shí)，為了降低均衡器的工作頻率，串行器會先把并行數(shù)據(jù)變?yōu)?bits，送給均衡器equalizer濾波，最后一步再作2:1串行化，本文后面部分都按1bit串行信號解釋。

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一個(gè)1:4的解串器如圖2.3所示，8:1或16:1的解串器采用類似的實(shí)現(xiàn)。實(shí)現(xiàn)時(shí)，為了降低均衡器(DFE based Equalizer)的工作頻率，DFE工作在DDR模式下，解串器的輸入是2bit或者更寬，本文后面部分都按1bit串行信號解釋。

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Serializer/Deserializer的實(shí)現(xiàn)采用雙沿(DDR)的工作方式，利用面積換速度的策略，降低了電路中高頻率電路的比例，從而降低了電路的噪聲。

接收方向除了Deserializer之外，一般帶有還有對齊功能邏輯(Aligner)。相對SerDes發(fā)送端，SerDes接收端起始工作的時(shí)刻是任意的，接收器正確接收的第一個(gè) bit可能是發(fā)送并行數(shù)據(jù)的任意bit位置。因此需要對齊邏輯來判斷從什么bit位置開始，以組成正確的并行數(shù)據(jù)。對齊邏輯通過在串行數(shù)據(jù)流中搜索特征碼字(Alignment Code)來決定串并轉(zhuǎn)換的起始位置。比如8B/10B編碼的協(xié)議通常用K28.5(正碼10’b1110000011，負(fù)碼10’b0001111100)來作為對齊字。圖2.4為一個(gè)對齊邏輯的演示。通過滑窗，逐bit比對，以找到對齊碼(Align-Code)的位置，經(jīng)過多次在相同的位置找到對齊碼之后，狀態(tài)機(jī)鎖定位置并選擇相應(yīng)的位置輸出對齊數(shù)據(jù)。

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2.2發(fā)送端均衡器( Tx Equalizer)

SerDes信號從發(fā)送芯片到達(dá)接收芯片所經(jīng)過的路徑稱為信道(channel)，包括芯片封裝，pcb走線，過孔，電纜，連接器等元件。從頻域看，信道可以簡化為一個(gè)低通濾波器(LPF)模型，如果SerDes的速率大于信道(channel)的截止頻率，就會一定程度上損傷(distort)信號。均衡器的作用就是補(bǔ)償信道對信號的損傷。

發(fā)送端的均衡器采用FFE(Feed forward equalizers)結(jié)構(gòu)，發(fā)送端的equalizer也稱作加重器(emphasis)。加重(Emphasis)分為去加重(de-emphasis)和預(yù)加重(pre-emphasis)。De-emphasis降低差分信號的擺幅(swing)。Pre-emphasis增加差分信號的擺幅。FPGA大部分使用de-emphasis的方式，加重越強(qiáng)，信號的平均幅度會越小。

發(fā)送側(cè)均衡器設(shè)計(jì)為一個(gè)高通濾波器(HPF),大致為信道頻響H(f)的反函數(shù)H-1(f)，F(xiàn)FE的目標(biāo)是讓到達(dá)接收端的信號為一個(gè)干凈的信號。FFE的實(shí)現(xiàn)方式有很多，一個(gè)典型的例子如圖2.5所示。

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調(diào)節(jié)濾波器的系數(shù)可以改變?yōu)V波器的頻響，以補(bǔ)償不同的信道特性，一般可以動態(tài)配置。以10Gbps線速率為例，圖2.5為DFE頻率響應(yīng)演示?？梢钥吹剑瑢τ贑0=0,C1=1.0,C2=-0.25的配置，5GHz處高頻增益比低頻區(qū)域高出4dB，從而補(bǔ)償信道對高頻頻譜的衰減。

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采樣時(shí)鐘的頻率限制了這種FFE最高只能補(bǔ)償?shù)紽s/2(例子中Fs/2=5GHz)。根據(jù)采樣定理，串行數(shù)據(jù)里的信息都包含在5GHz以內(nèi)，從這個(gè)角度看也就足夠了。如果要補(bǔ)償Fs/2以上的頻率，就要求FFE高于Fs的工作時(shí)鐘,或者連續(xù)時(shí)間域?yàn)V波器(Continuous Time FFE)。

圖2.7為DFE時(shí)域?yàn)V波效果的演示，以10Gbps線速率為例，一個(gè)UI=0.1 nS=100ps。演示的串行數(shù)據(jù)碼流為二進(jìn)制[00000000100001111011110000]。

2.3接收端均衡器( Rx Equalizer)

2.3.1?線形均衡器(Linear Equalizer)

接收端均衡器的目標(biāo)和發(fā)送均衡器是一致的。對于低速(<5Gbps)SerDes，通常采用連續(xù)時(shí)間域，線性均衡器實(shí)現(xiàn)如尖峰放大器(peaking amplifier),?均衡器對高頻分量的增益大于對低頻分量的增益。圖2.8為一個(gè)線性均衡器的頻域特性。通常工廠會對均衡特性封裝為數(shù)種級別，可以動態(tài)設(shè)置，以適應(yīng)不同的信道特性，如High/Med/Low等。

Figure 2.8 Frequency Response of A peaking Amplifier based Rx Equalizer

2.3.2 DFE均衡器(Decision Feedback Equalizer)

對于高速(>5Gbps)SerDes，由于信號的抖動(如ISI相關(guān)的確定性抖動)可能會超過或接近一個(gè)符號間隔(UI, Unit Interval), 單單使用線性均衡器不再適用。線性均衡器對噪聲和信號一起放大，并沒有改善SNR或者說BER。對于高速SerDes，采用一種稱作DFE (Decision Feedback Equalizer)的非線性均衡器。DFE通過跟蹤過去多個(gè)UI的數(shù)據(jù)(history bits)來預(yù)測當(dāng)前bit的采樣門限。DFE只對信號放大，不對噪聲放大，可以有效改善SNR。

圖2.9演示了一個(gè)典型的5階DFE。接收的串行數(shù)據(jù)由比較器(slicer)來判決0或者1，然后數(shù)據(jù)流由一個(gè)濾波器來預(yù)測碼間干擾(ISI)，再從輸入的原始信號中減掉碼間干擾(ISI)，從而的到一個(gè)干凈的信號。為了讓DFE均衡器的電路工作在電路線形范圍內(nèi)，串行信號先經(jīng)過VGA自動控制進(jìn)入DFE的信號幅度。

為了理解DFE的工作原理，先來看一個(gè)10Gbps背板的脈沖響應(yīng)，這個(gè)背板模型是matlab給出的一個(gè)基于實(shí)測的模型，具有典型特性。

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圖2.10中,一橫格代表一個(gè)UI的時(shí)間?？梢钥闯觯粋€(gè)UI( 0.1nS = 1/10GHz )的脈沖信號，通過背板后，泄漏到前后多個(gè)相鄰的UI里面，從而對其他UI的數(shù)據(jù)產(chǎn)生干擾。采樣點(diǎn)后面的干擾叫做post-cursor干擾，采樣點(diǎn)前面的叫做pre-cursor干擾。DFE的第一個(gè)系數(shù) h1(此例中0.175)矯正第一個(gè)post-cursor, 第二個(gè)系數(shù) h2(此例中0.075)矯正第二個(gè)post-cursor。DFE的階數(shù)越多，能夠校正的post-cursor也越多。

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用上述的背板傳輸一個(gè)11011的碼流，由于post-cursor和pre-cursor的泄漏，如果沒有均衡，將會導(dǎo)致’0’不能識別，見圖2.11。假定有一個(gè)2階的DFE,?那么‘0’bit處的幅度應(yīng)該減去第一個(gè)’1’bit的h2,第二個(gè)’1’bit的h1,?得到0.35-0.075-0.175 =0.1,?足夠被識別為0。

可見，DFE計(jì)算歷史bits的post-cursor干擾，在當(dāng)前bit中把干擾減去，從而得到干凈的信號。由于DFE只能能夠校正post-cursor ISI,?所以DFE前面一般會帶有LE。只要DFE的系數(shù)接近信道(channel)的脈沖相應(yīng)，就可以到的比較理想的結(jié)果。但是信道是一個(gè)時(shí)變的媒介，比如溫度電壓工藝的慢變化等因素會改變信道channel的特性。因此DFE的系數(shù)需要自適應(yīng)算法，自動撲獲和跟隨信道的變化。DFE系數(shù)自適應(yīng)算法非常學(xué)術(shù)，每個(gè)廠商的算法都是保密的，不對外公布。對于NRZ碼，典型的算法準(zhǔn)則是基于sign-error驅(qū)動的算法。Sign-error是均衡后信號的幅度和期望值的誤差，算法以sign-error均方差最小為優(yōu)化目標(biāo)，逐次優(yōu)化h1/h2/h3…。因?yàn)閟ign-error和采樣位置是耦合在一起相互影響，因此也可以sign-error和眼圖寬度兩個(gè)準(zhǔn)則為目標(biāo)進(jìn)行DFE系數(shù)的預(yù)測。也因此，采用DFE結(jié)構(gòu)的SerDes通常都會帶有內(nèi)嵌眼圖測試電路，如圖2.9所示。眼圖測試電路通過垂直方向上平移信號的幅度，水平方向上平移采樣位置，計(jì)算每一個(gè)平移位置上的誤碼率BER,從而得到每一個(gè)偏移位置與誤碼率關(guān)系的”眼圖”，見圖2.12。

??Figure 2.12 SerDes Embedded Eye-Diagram Test Function

2.4時(shí)鐘數(shù)據(jù)恢復(fù)(CDR)

CDR的目標(biāo)是找到最佳的采樣時(shí)刻,這需要數(shù)據(jù)有豐富的跳變。CDR有一個(gè)指標(biāo)叫做 最長連0或連1長度 容忍(Max Run Length或者Consecutive Identical Digits)能力。如果數(shù)據(jù)長時(shí)間沒有跳變，CDR就無法得到精確的訓(xùn)練，CDR采樣時(shí)刻就會漂移，可能采到比真實(shí)數(shù)據(jù)更多的1或者0。而且當(dāng)數(shù)據(jù)重新恢復(fù)跳變的時(shí)，有可能出現(xiàn)錯誤的采樣。比如有的CDR采用PLL實(shí)現(xiàn)，如果數(shù)據(jù)長時(shí)間停止跳變，PLL的輸出頻率就會漂移。實(shí)際上，SerDes上傳輸?shù)臄?shù)據(jù)要么利用加擾,要么利用編碼的方法來保證Max Run Length在一定的范圍內(nèi)。

l ?8B/10B編碼的方法可以保證Max Run Length不超過5個(gè)UI。

l??64B/66B編碼的方法可以保證Max Run Length不超過66個(gè)UI

l??SONET/SDH加擾得方法可以保證Max Run Length不超過80個(gè)UI(BER<10^-12)

在點(diǎn)到點(diǎn)的連接中，大部分SerDes協(xié)議采用連續(xù)模式(continuous-mode)，線路上數(shù)據(jù)流是持續(xù)而沒有中斷的。在點(diǎn)到多點(diǎn)的連接中，往往采用突發(fā)模式(burst-mode)如PON。很顯然Burst-Mode對SerDes鎖定時(shí)間有苛刻的要求。

Continuous-Mode的協(xié)議如SONET/SDH則要求容忍較長的連0, 而且對CDR的抖動傳輸性能也有嚴(yán)格的要求(因?yàn)閘oop timing)。

如果收(Rx)發(fā)(Tx)是異步模式(asynchronous mode),或者頻譜擴(kuò)展(SSC)應(yīng)用中，則要求CDR有較寬的相位跟蹤范圍以跟蹤Rx/Tx頻率差。

根據(jù)應(yīng)用場景的不同需求，CDR的實(shí)現(xiàn)也有非常多種架構(gòu)。FPGA SerDes常常采用的基于數(shù)字PLL的CDR，和基于相位插值器的CDR。這兩種CDR在環(huán)路中采用數(shù)字濾波器，相對模擬charge pump加模擬濾波器的結(jié)構(gòu)更節(jié)省面積。

圖2.13是基于相位插值器的CDR。鑒相器陣列對輸入的串行數(shù)據(jù)與M個(gè)等相位間隔的時(shí)鐘在多個(gè)UI的跨度上進(jìn)行相位比較，得到多個(gè)UI跨度上的相位誤差信號。相位誤差信號的頻率很高，寬度也很寬，經(jīng)過抽取器降速并平滑后，送給數(shù)字濾波器。數(shù)字濾波器的性能會影響環(huán)路的帶寬，穩(wěn)定性，反應(yīng)速度等。經(jīng)數(shù)字濾波器平滑后的誤差信號送給相位插值器(phase rotators)修正時(shí)鐘相位。最終環(huán)路鎖定時(shí)，理論上相位誤差為零，90度偏移的時(shí)鐘作為恢復(fù)時(shí)鐘采樣串行輸入。

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圖2.14是基于DPLL的CDR, 分為兩個(gè)環(huán)路，對數(shù)據(jù)鎖相的環(huán)路(phase tracking loop)和圖2.13的CDR工作原理類似。鑒相器陣列對輸入的串行數(shù)據(jù)與M個(gè)等相位間隔的時(shí)鐘進(jìn)行相位比較(也可能是在多個(gè)UI的跨度上)，得到相位誤差信號。相位誤差信號送給數(shù)字濾波器。數(shù)字濾波器的性能會影響環(huán)路的帶寬，穩(wěn)定性，反應(yīng)速度等。經(jīng)數(shù)字濾波器平滑后的誤差信號送給VCO修正時(shí)鐘相位。最終環(huán)路鎖定時(shí)，理論上相位誤差為零，90度偏移的時(shí)鐘作為恢復(fù)時(shí)鐘采樣串行輸入。

基于DPLL的CDR多了一個(gè)頻率跟蹤環(huán)路(Frequency Tracking Loop)。這是為了減小CDR的鎖定時(shí)間，減少對環(huán)路濾波器的設(shè)計(jì)約束。只有當(dāng) 頻率跟蹤環(huán)路 鎖定后，才會切換到數(shù)據(jù) 相位跟蹤環(huán)路。相位跟蹤環(huán)路失鎖時(shí)，再自動切換到頻率跟蹤環(huán)路。N倍參考時(shí)鐘(Reference Clock)頻率 和 線路速率接近相等，因此兩個(gè)環(huán)路的VCO穩(wěn)態(tài)控制電壓是接近相等的。借助 頻率跟蹤環(huán)路，減小了 相位跟蹤環(huán)路 的捕獲時(shí)間。
????相位跟蹤環(huán)路鎖定時(shí)，頻率跟蹤環(huán)路不會影響相位環(huán)路。因此SerDes接收側(cè)對參考時(shí)鐘的抖動沒有很高的要求。

基于相位插值器的CDR的參考時(shí)鐘可以是收發(fā)公用的PLL，也可以是每個(gè)通道獨(dú)立的PLL。這種結(jié)構(gòu)的參考時(shí)鐘抖動會直接影響恢復(fù)時(shí)鐘的抖動以及接收誤碼率。

l??鑒相器(PD)

鑒相器用來比較相位誤差，相位誤差以UP或者DN的信號表示, UP/DN持續(xù)的時(shí)間正比于相位誤差。一個(gè)bang-bang結(jié)構(gòu)鑒相器的例子如圖2.15。例子中只用了四個(gè)相位的恢復(fù)時(shí)鐘作為例子。

l??抽取器和濾波器

抽取器是為了讓濾波器在較低的頻率下工作。抽取的步長，平滑的方法都會影響環(huán)路的性能。數(shù)字濾波器有比例分支(Proportion)和積分分支(Integral)構(gòu)成，分別跟蹤相位誤差和頻率誤差。另外數(shù)字濾波器的處理延時(shí)也不能太大，如果處理延時(shí)過大，就會導(dǎo)致環(huán)路不能跟蹤相位和頻率的快速變化，導(dǎo)致誤碼。

CDR的結(jié)構(gòu)不限于以上兩種，還有其他很多變種。基本上都是一個(gè)鎖相環(huán)路。環(huán)路的跟隨性能,穩(wěn)定性(STABILITY)，帶寬(bandwidth)/增益(gain)性能分析是一個(gè)非常學(xué)術(shù)的問題，用小信號線形模型分析,有非常多的書籍和資料解釋了環(huán)路的量化性能。CDR環(huán)路有一些的特點(diǎn)總結(jié)如下:

l??環(huán)路帶寬

1.頻率低于環(huán)路帶寬的相位抖動會透過CDR轉(zhuǎn)移到恢復(fù)時(shí)鐘上。換句話說，頻率低于環(huán)路帶寬的抖動可以被CDR跟蹤，不會引起誤碼。高頻的抖動分量根據(jù)抖動幅度的大小，可能會引起誤碼。

2.環(huán)路帶寬越大，鎖定時(shí)間越短，恢復(fù)時(shí)鐘的抖動也越大。反之則鎖定時(shí)間越長，恢復(fù)時(shí)鐘的抖動也越小。作為CDR，我們希望環(huán)路帶寬大一點(diǎn)，這樣可以有更大的抖動容忍能力，但是對于loop timing的應(yīng)用如SONET/SDH對恢復(fù)時(shí)鐘的抖動有限制，又不能太大。

3. 開關(guān)電源的開關(guān)頻率一般小于環(huán)路帶寬，可以被CDR跟蹤。但是，一方面開關(guān)電源耦合到VCO(Digital to Multi-Phase Convertor)上的噪聲不能被環(huán)路跟蹤，低成本Ring VCO尤其對電源噪聲敏感。另一方面開關(guān)電源的諧波可能超出環(huán)路帶寬。

一些協(xié)議提供了CDR增益模板，如SDH/SONET。兼容這些協(xié)議需要計(jì)算輸入和輸出的抖動預(yù)算。

2.5 ?公用鎖相環(huán)(PLL)
?? SerDes需要一個(gè)工作在數(shù)據(jù)波特率上的內(nèi)部時(shí)鐘，或者1/2數(shù)據(jù)波特率的內(nèi)部時(shí)鐘，工作在DDR模式。片外提供給SerDes的參考時(shí)鐘頻率遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于數(shù)據(jù)波特率，PLL用來倍頻產(chǎn)生內(nèi)部高頻時(shí)鐘。FPGA的SerDes PLL一般有8x,16x,10x,20x,40x模式，以支持常用的SerDes接口協(xié)議。比如PCIExpress工作在5Gbps, 在40x模式下需要提供125MHz的片外參考時(shí)鐘，20x模式下需要提供250MHz的片外參考時(shí)鐘。

一個(gè)三階PLL電路如圖2.17，輸入信號的相位和VCO反饋信號的相位由鑒相器比較，相位誤差有charge pump轉(zhuǎn)化為電壓或電流信號，經(jīng)過Loop Filter平滑后產(chǎn)生控制電壓，修正VCO的相位，最終使相位誤差趨于零。

????????????????????????????????????Figure 2.17 A 3-order Type II PLL

PLL的工作過程分為入鎖過程和跟蹤過程。在入鎖過程，環(huán)路的模型可以用一個(gè)非線性微分方程表示，可以評估捕獲時(shí)間，捕獲帶寬等指標(biāo)。入鎖后，在小信號范圍內(nèi)，PLL的模型是一個(gè)常系數(shù)線性方程，可以在拉普拉斯變換域研究PLL的帶寬，增益，穩(wěn)定性等性能,?圖2.18是小信號數(shù)學(xué)模型。

?

PLL以傳輸函數(shù)極點(diǎn)(分母的根)個(gè)數(shù)命名環(huán)路的階數(shù)。VCO對相位有積分作用(Kvco/s)，因此不帶濾波器的環(huán)路稱為一階環(huán)。帶一階濾波器的環(huán)路稱為二階環(huán)。一階環(huán)和二階環(huán)是無條件的穩(wěn)定系統(tǒng)。然而高階環(huán)路有更多的極點(diǎn)和零點(diǎn)可以獨(dú)立的調(diào)整帶款，增益，穩(wěn)定性，捕獲帶，捕捉時(shí)間等性能。

PLL的頻域傳輸函數(shù)特性主要有環(huán)路濾波器F(s)|s=jw決定, 一個(gè)通用的PLL頻域傳輸曲線如圖2.19所示。有兩個(gè)重要特征，環(huán)路帶款和jitter peaking。過大的peaking會放大jitter, 大的阻尼系數(shù)(damping factor)可以限制peaking, 但是會增加環(huán)路的如鎖時(shí)間, 影響滾降的速度和固有頻率(natural frequency)。

l??當(dāng)環(huán)路鎖定后，固定相位差:

Kdc為環(huán)路的直流開環(huán)增益，Δω為VCO中心頻率和受控頻率的差。對于charge pump + passive filter結(jié)構(gòu)的PLL相位誤差為零。

l ?當(dāng)環(huán)路鎖定后，只有固定相位差，兩個(gè)輸入信號頻率相等。

fr/M = fo/N

l ?對于輸入端的噪聲，環(huán)路是一個(gè)低通濾波器，可以抑制高于環(huán)路截止頻率的噪聲或干擾。作為SerDes的PLL, 希望帶寬的小一些，以抑制參考時(shí)鐘上的干擾和噪聲。

對于VCO噪聲，環(huán)路是一個(gè)高通濾波器的作用。只有低于環(huán)路截止頻率的VCO噪聲得到了抑制。過量的VCO高頻噪聲會惡化時(shí)鐘的抖動。低速SerDes(<5Gbps)的VCO出于成本考慮采用Ring結(jié)構(gòu)的VCO，噪聲大且對電源敏感。高速SerDes的VCO采用噪聲小較小的LC結(jié)構(gòu)VCO。

3.抖動和信號集成( Jitter, SI )

抖動是指信號的跳邊時(shí)刻偏離其理想(ideal)或者預(yù)定(expected)時(shí)刻的現(xiàn)象。噪聲，非理想的信道，非理想的電路都是產(chǎn)生抖動的原因。

3.1 時(shí)鐘的抖動(clock jitter)

Figure 3.1??Clock Jitter

對于時(shí)鐘信號，根據(jù)應(yīng)用場景的不同，對抖動的定義也不一樣。比如數(shù)字邏輯計(jì)算時(shí)序余量的時(shí)候，關(guān)心的是周期抖動。而時(shí)鐘設(shè)計(jì)人員更喜歡相位抖動，因?yàn)榭梢岳妙l譜評估相位抖動，并可以用頻譜來評估具體的干擾對總相位抖動的貢獻(xiàn)。
參考圖3.1,介紹一下幾種抖動的定義。

l??相位抖動(phase jitter)
Jphase(n)= tn?– n*T。理想時(shí)鐘的每個(gè)周期T都是相等的，沒有抖動。真實(shí)時(shí)鐘的跳邊沿相對于理想時(shí)鐘的偏離稱作相位抖動。

l??周期抖動(period jitter)

Jperiod(n)= (tn- tn-1)– T。周期抖動是實(shí)際時(shí)鐘的周期相對于理想周期的偏離(deviation)。顯然Jperiod(n) = Jphase(n) - Jphase(n-1)。

l??Cycle-to-Cycle jitter

Jcycle(n) = (tn- tn-1) - (tn-1- tn-2)。前后相鄰的兩個(gè)周期的偏差是Cycle-Cycle抖動。顯然Jcycle(n)= Jperiod(n) – Jperiod(n-1)。

假設(shè)相位抖動的最大值為 +/-Jp,?而且抖動的頻率fjitter?= 0.5fclock?= 0.5/T，也就是，

tn-2時(shí)刻的相位抖動為最大值+Jp?，tn-1時(shí)刻的相位抖動為最小值-Jp

tn時(shí)刻的相位抖動為最大值+Jp?， tn+1時(shí)刻的相位抖動為最小值-Jp

那么，周期抖動最大值????????Jperiod=+/- 2* Jp

那么，Cycle-Cycle抖動最大值??Jcycle??=+/- 4* Jp

3.2.?數(shù)據(jù)的抖動(data jitter)

在高速SerDes領(lǐng)域每個(gè)人都在說抖動，因?yàn)槎秳又苯雍驼`碼率(BER)相關(guān)。

SerDes發(fā)送端的一個(gè)重要要求是抖動(jitter generation)----針對特定的碼型(pattern)，速率和負(fù)載情況下，發(fā)送端所生成的抖動。
????信號經(jīng)過信道(channel)到達(dá)接收端時(shí)，又會進(jìn)一步放大抖動，不同的碼型(pattern)包含的頻率成分也不一樣，信道對不同頻率成分的傳輸延時(shí)也不一樣(非線性相位), 產(chǎn)生和數(shù)據(jù)pattern相關(guān)的確定性抖動。阻抗不連續(xù)產(chǎn)生的反射，相鄰信號的串?dāng)_和噪聲都會引起數(shù)據(jù)抖動。
????SerDes接收端的一個(gè)重要指標(biāo)是抖動容忍能力(Jitter Tolerance)----針對特定的碼型和誤碼率要求(BER<10-12)，SerDes接收端能夠容忍的抖動大小。對抖動評估時(shí)，會使用眼圖(eye-diagram),浴缸曲線(bath curve),抖動分布柱狀圖(PDF),抖動頻譜(jitter spectrum)等圖形手段。

有一點(diǎn)需要說明，在談?wù)摳咚賁erDes的數(shù)據(jù)抖動時(shí)(Tj,Rj,Dj etc.)，是不包括低頻率抖動的。這是因?yàn)榈皖l率的抖動被認(rèn)為是一種wander，可以被CDR跟蹤，不會引起誤碼。在用示波器(SDA)測量數(shù)據(jù)抖動的時(shí)候，可以設(shè)置示波器內(nèi)嵌的CDR環(huán)路帶寬，示波器測量的抖動數(shù)據(jù)已經(jīng)濾掉了低頻抖動。

根據(jù)抖動產(chǎn)生的原因和概率密度函數(shù)，常常將抖動分為幾類。對抖動進(jìn)行分類的意義在于某些類型的抖動可以被校正，而其他類型的不能被校正。經(jīng)典的，總抖動Tj(Total Jitter)被分類為確定性抖動Dj (deterministic jitter)和隨機(jī)抖動Rj (random jitter)。抖動以UI或者ps為單位，可以是均方根值，或者峰峰值。

3.2.1 Dj

Dj被進(jìn)一步細(xì)分,

l??DCD(Duty cycle distortion)

占空比失真抖動。差分信號的正端負(fù)端的偏置電壓不一致，或者上升沿和下降沿時(shí)間不一致會導(dǎo)致占空比失真。因?yàn)镈CD和數(shù)據(jù)pattern相關(guān)，是可以被校正的抖動。

l??DDJ(Data dependent jitter)

數(shù)據(jù)碼型相關(guān)的抖動，也稱 碼間干擾ISI(intersymbol interference)。DDJ是由于不理想的信道導(dǎo)致。是可以被均衡器校正的抖動。

l??Pj(Periodic jitter)

周期性抖動。Pj由電路上周期性干擾源導(dǎo)致。比如開關(guān)電源的開關(guān)頻率，時(shí)鐘信號的串?dāng)_等。雖然電源的開關(guān)頻率一般在CDR的跟蹤范圍內(nèi)，但是低次諧波成分可能會落在環(huán)路帶寬外，或者jitter peaking區(qū)域, 更重要的是電源諧波對CDR內(nèi)VCO的干擾是不能被抑制和跟蹤的，所以對于基于Ring VCO的CDR一定要盡可能的使用LDO供電。Pj不能被均衡器校正.

l??BUJ(Bounded uncorrelated jitter)

BUJ由非時(shí)鐘的干擾源引起。如果干擾源aggressor和victim是異步的，抖動的概率分布為有界的高斯分布，此時(shí)也稱作CBGJ(Correlated Bounded Gaussian Jitter)。BUJ/CBGJ不能被校正。

3.2.2 Rj

Rj有半導(dǎo)體本身的噪聲引起，一個(gè)重要特征就是Rj的概率密度函數(shù)是高斯分布的，沒有邊界，且和數(shù)據(jù)pattern無關(guān)。只有在一定誤碼率約束下，才可以被認(rèn)為是有界的。

3.2.3 Tj

數(shù)學(xué)意義上，抖動的概率分布函數(shù)可以近視為高斯分布和雙底拉克分布的卷積。

對高斯分布有貢獻(xiàn)的抖動為：

n??Rj為高斯分布

n??大量Pj疊加的效果也為高斯分布

n??部分BUJ也為高斯分布

對雙底拉克分布有貢獻(xiàn)的抖動為：

n??DCD被近視為雙底拉克概率分布

高斯分布和雙底拉克分布的卷積:

其中，W被認(rèn)為是確定性抖動的峰峰值，δ是高斯分布的均方差。見圖3.2, 可以看到，隨著確定性抖動W的增加，概率密度分布曲線的頂部出現(xiàn)了雙峰。一般來講頂部曲線反映了確定性抖動的大小程度。

Figure 3.2 PDF of Tj with different Dj and Rj

把一個(gè)UI內(nèi)的兩個(gè)跳變沿處(0 UI處和1UI處)的概率分布函數(shù)放在一張圖中，就是抖動的浴缸曲線(bathtub curve)。因?yàn)閷?shù)的寬動態(tài)范圍，Y坐標(biāo)以對數(shù)顯示。圖3.3為確定性抖動W=0.05UI, 高斯抖動方差0.05UI的浴缸曲線。

?????Figure 3.3??Bathtub Curve of Tj with 0.05 Dj peak and 0.05 Rj RMS

浴缸曲線還會標(biāo)出對應(yīng)的誤碼率BER坐標(biāo),比如圖中BER=10^-12的峰峰值抖動為Tj(p-p)=0.373*2 = 0.746 UI。曲線下面的面積占總面積的比率就是誤碼率。比如圖中，

浴缸曲線的頂部主要為確定性抖動Dj的貢獻(xiàn)，越靠近底部，高斯抖動的貢獻(xiàn)越大，并以高斯曲線的斜率衰減，也因此常利用高斯分布的特性進(jìn)行估算。下表為高斯分布?和均方差關(guān)系。???????


?

在規(guī)定的BER內(nèi)，利用該表可以快速估算均方差值和峰峰值之間的關(guān)系。比如高斯抖動的均方根0.05UI，誤碼率要求為10^-12 BER，查表可知Q=7，那么高斯抖動的峰峰值要求是0.05UI*7*2 = 0.7UI。

如前所述，W=0.05UI,Rj=0.05UI計(jì)算出的總抖動Tj=0.746UI；
????利用高斯特性估算的高斯抖動為0.7UI。
????如果按Tj = Rj(0.7UI)+Dj(0.05UI)計(jì)算得到0.75U，基本是一致的,差異是因?yàn)楫媹D程序有量化誤差。

4.信號集成(SI)及仿真

4.1信道channel

SerDes信道關(guān)注的頻率范圍是0Hz到奈奎斯特頻率，也就是2倍的信號基頻。信號的基頻是信號線速率的一半，也就是說信號的奈奎斯特頻率就是線速率。信道對信號的損傷包括插入損失(insertion loss),反射 (reflection),串?dāng)_(crosstalk)等。這些損傷可以用S-parameter信道模型來表達(dá)。S-parameter可以有矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀測量(Vector Network Analyzer)得到。信道不是一個(gè)純阻性網(wǎng)絡(luò)，還包括容性和感性。這樣對不同頻率里成分的時(shí)延也不一樣，從而產(chǎn)生和data pattern相關(guān)的抖動。

信道上的每一個(gè)不連續(xù)阻抗點(diǎn)都會產(chǎn)生反射，根據(jù)反位置的不同，反射信號會以不同的相位疊加在原始信號上，增加或者減小信號的幅度。

SerDes信號為差分形式，對共模干擾有較強(qiáng)的抑制。如果在+/-端上的干擾有差異，就會引入串?dāng)_。通常外部PCB可以保證SerDes數(shù)據(jù)和干擾源保持足夠的距離，但是芯片內(nèi)部由于考慮到經(jīng)濟(jì)性，很難保證SerDes信號和干擾源足夠的隔離距離，尤其是一個(gè)通道自己的發(fā)送信號干擾自己的接收信號。

4.2?芯片封裝Package

封裝package也是信道的一部分。芯片外部的信道可以通過VNA測量的到，而封裝的S-parameter通常有芯片制造商提供，仿真時(shí)可以把兩者級聯(lián)起來。封裝package由于距離較短，insertion loss通常不是主要問題，主要考慮的是阻抗匹配問題。

4.3 SI仿真

信號集成性(SI)仿真可以通過把SerDes發(fā)送端SPICE模型，封裝和信道的S-parameter模型，接收端SPICE模型級聯(lián)起來搭建仿真平臺，利用仿真工具對不同的激勵在不同的測試條件作電路仿真。通過測量SerDes接收端的眼圖來評估是否滿足設(shè)計(jì)需求。也可以通過實(shí)測接收端眼圖，檢驗(yàn)是否滿足接收端的眼圖模板，或者協(xié)議規(guī)定的眼圖模板。圖4.1為一個(gè)實(shí)測的3.125Gbps信號的眼圖及模板，同時(shí)也包含了浴缸曲線和統(tǒng)計(jì)圖。

Figure 4.1 Rx-end Eye-diagram of A 3.125Gbps SerDes

對于高速SerDes(>5Gbps)，這種傳統(tǒng)的電路仿真方法已經(jīng)不能滿足設(shè)計(jì)的需求。首先，過量的碼間干擾ISI導(dǎo)致接收端眼圖完全閉合，但是通過芯片內(nèi)的DFE均衡后，眼圖可能是很好的。其次，電路仿真(SPICE)的速度非常慢，即使是有辦法把DFE均衡加入仿真，由于DFE仿真需要足夠長時(shí)間的bits來訓(xùn)練，此時(shí)，電路仿真的仿真時(shí)間是不可接受的。

對于高速SerDes的仿真需要借助統(tǒng)計(jì)分析 (statistical analysis) 的方法。統(tǒng)計(jì)分析的方法把發(fā)送端-信道-接收端的連接近視為線性系統(tǒng)，計(jì)算系統(tǒng)脈沖響應(yīng)h(t)，加入噪聲源來模擬抖動，然后用激勵對脈沖響應(yīng)進(jìn)行卷積，得到接收端的信號，這種方法可以把廠家私有的FFE,DFE自適應(yīng)算法加入仿真。

統(tǒng)計(jì)分析 (statistical analysis)方法不能仿真電路的非線性和時(shí)變特性，所以高速SerDes往往要兩者結(jié)合起來仿真SI。更多關(guān)于統(tǒng)計(jì)分析 (statistical analysis)方法可以參考。

5.?結(jié)尾

有人講過，現(xiàn)在的汽車是如此復(fù)雜，以至于雖然每一個(gè)零件都有人懂，但是合起來作為整車卻沒人能夠全懂。近些年來，F(xiàn)PGA變的越來越復(fù)雜,對工程師的要求也越來越高。要成為一個(gè)合格的FPGA應(yīng)用工程師，不僅要擅長數(shù)字電路的設(shè)計(jì)，還要懂得高速SerDes, 信號集成SI, DSP算法, 多核CPU, 嵌入式操作系統(tǒng)等。每一項(xiàng)技術(shù)背后都是一個(gè)專業(yè)領(lǐng)域，一個(gè)人不會在每一個(gè)領(lǐng)域內(nèi)都是專家，只要比別人多學(xué)習(xí)一點(diǎn)，關(guān)鍵時(shí)候就會突出你的價(jià)值。本篇主要介紹了SerDes的基本結(jié)構(gòu)和用好SerDes需要掌握一些的知識,希望對你的工作有所幫助。

編輯：黃飛

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