高性能SERDES及其在CPRI接口的应用分析(上)-模拟/数字

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1 引言 随着数据宽带网络的迅猛发展，需要不断提高系统设备的业务容量。目前的趋势是采用高速串行通信技术，即采用串行解串器SERDES，把低速的并行数据转换为高速串行数据连接。SERDES串行接口可在背板或电缆/光纤等不同互联介质上传输高速信号，在提高系统传输带宽的同时，有利于印刷电路板（PCB）布线，并降低系统功耗和噪声。 TI（德州仪器）推出一系列高性能的通用SERDES，满足高带宽、高性能的应用要求，广泛应用在WI系统、接入设备、传送网络、数据通信等通信产品，以及工业控制系统。本文以TLK3132为例，详细介绍了SERDES工作原理和器件特点，并以WI系统中的CPRI应用需求为例，提供TLK3132的设计方法等。2 TLK3132工作原理TLK3132是TI推出的一款通用两通道串行器／解串器（SERDES），采用90nm工艺，能满足一些低功耗的应用需求，内部功能模块如图1所示。SERDES Core的发送部分用于实现8位、9位或10位宽字的并串转换，然后通过一根电缆或印刷板(PCB)走线发送出去，而接收部分则将串行数据进行串并转换为8位、9位或10位宽的并行字。图1 TLK3132内部功能框图下面详细介绍了6个功能模块及其应用特点：并行接口、串行接口、时钟分布电路、8B/10B编解码电路、PRBS测试以及相关寄存器访问控制接口MDIO。2.1 并行接口TLK3132器件每个通道并行收发侧分别包含8位数据位和两位灵活的控制位，支持各种通用的并行接口，如千兆以太网的介质无关接口RGMII、GMII、RTBI、TBI，以及RNBI、NBI、REBI、EBI、TBID和NBID等多种工作模式。对于DDR模式而言，既支持位边沿采样（采样时钟边沿与数据位翻转边沿同步），也可支持位中间采样（采样时钟边沿处于数据位的中间位置）；对于SDR模式而言，既支持上升沿采样并行口数据，也支持下降沿采样数据。由于使用同步时钟，在布线时时钟线和数据线必须等长且时钟线尽量不要分叉，此外通过配置不同的数据采样边沿，可以降低系统互连设计的风险，提高系统设计的鲁棒性。 并行接口采用单端的HSTL Class1电平接口，遵循EIA/JESD8-6标准电气指标规格，同时支持1.5V或1.8V的电源电压。为了提高HSTL高速接口的SI性能，TLK3132并行接收侧集成了可寄存器配置的匹配电阻，采用戴维南等效电路匹配方式，等效于加一个匹配电阻到VDDQ/2，同时也可关闭内部的阻抗匹配电路，如图2所示；并行发送侧可通过寄存器配置4种不同的边沿速率。图2 并行口等效框图2.2 串行接口 TLK3132支持的串行接口速率从600Mbps到3.75Gbps，不同通道可独立地工作于全速率、半速率以及1/4速率模式。为了补偿高速信号传输的介电损耗和趋肤效应，TLK3132高速串行接口发送端具有强大的去加重能力，共支持15级调节能力（达到10.87dB补偿），同时支持8级的输出摆幅设置（从125mV到1375mV）；接收端包含有自适应均衡器，最大补偿能力得到12dB以上，保证高速串行接口的SI性能。在3.072Gbps速率下可支持50inches的FR4传输或30m的电缆传输（特性阻抗50欧姆），解决了高速信号在背板侧或前基板的设计难题。 图3是TLK3132高速串行接口的AC耦合框图，采用CML高速电平接口，发送侧内部集成了50欧姆的匹配电阻。接收端支持DC和AC耦合，若采用直流耦合时，共模电压由发送侧决定，匹配电阻直接上拉到VDDT，若采用交流耦合，为得到最优的共模偏置电压，选择芯片内部0.8VDDT的偏置电压。在实际电路设计中，推荐采用交流耦合方式，容易实现不同接口的电平转换，并可去除共模噪声，避免外界噪声对接收端的影响。图3 串行接口AC耦合2.3 8B/10B编解码及通道同步 在串行链路通信中，为了实现信号时钟的恢复，需要避免出现长串0和长串1，同时保持电路上正负电平平衡，能正确地交流耦合避免信号失真，需要传输信号中的0和1数量数目相等，因此业界广泛应用8B/10B编解码方法：实现8B到10B的映射（图4），即一个字节（8bits）用10bits来表示，从中挑选出连续0或者1个数不会超过3个，0和1的个数差不大于2 （最多6个’0’或’1’）。 为了实现信号流中0和1的个数相等，在设计编码时，针对每个原码设计了两个编码，如：十六进制字节0x3B，对应两个编码分别为110110 1001（1的个数多于0）和001001 1001（0的个数多于1），在发送过程中不断统计当前数据流中0和1的个数差，如果0的个数大于1的个数，则发送0X3B字节时取前面一种编码；反之，则取后面一种编码，这样就不断平衡数据流中0和1的个数，保持串行数据中0和1的数量相同。图 4 8B/10B映射 串行通信中，除了有效数据外，还需要一些控制字符传送某些控制协议。因此，在8B/10编码中，包含下面两种信息：1)D分组，用于传递有效业务数据；2)K分组，用于传递控制信息等，如K28.5控制字符10B编码包含0011111010或1100000101（连续5个’1’或’0’，称为Comma，千兆以太网使用的8B/10B编码方案中Comma是唯一的），用于定位串行数据流中每10个bits组的边界，避免数据流出现错误时无法界定每10bit的边界，导致链路中断。 TLK3132内部兼容了IEEE802.3-2005中关于1000BASE-X物理编码子层（PCS）技术（注：不支持自协商功能），如CTC FIFO、8B/10B编解码电路等模块，同时这些模块设计时非常灵活，通过MDIO口进行寄存器设置可以使能或关闭。此外，TLK3132通过检测Comma进行通道同步判断，内部的状态机也是参考1000BASE-X规定的链路同步和链路失步建立机制，因此TLK3132能被广泛应用在WI、数据网络、以太网等不同领域。2.4 时钟电路SERDES实现的一个关键技术是时钟的产生和分布，图5是TLK3132芯片内部的时钟架构。时钟配置非常灵活，支持单端或差分参考时钟输入，同时包括多个高频锁相环电路：1）高速SERDES Core包含了一个高频倍频器（用于产生高速串行数据）和一个基于相位内插的CDR（在接收端用于从串行数据中恢复时钟）。2）由于串并模块里的高频倍频器环路带宽很大，最大可达30MHz左右。故TLK3132内部集成了一颗基于LC振荡器的抖动滤除锁相环，环路带宽通常设置在几百KHz以内，可以对输入参考时钟进行滤除，降低参考时钟对几百KHz 以上抖动性能的要求，图6是TLK3132发送链路在抖动滤除器打开和关闭下的环路传递函数。此外，抖动滤除器也可对链路恢复的时钟（只可接收CH0通道的恢复时钟RXBCLK(0)）进行抖动滤除，提高恢复时钟的信号质量。3）PLL1、PLL2、PLL3和PLL4作为倍频器，和前级抖动滤除锁相环电路配合，分别产生适合的时钟频率以满足系统各个模块的需求。图5 内部时钟架构图6 TLK3132内部锁相环环路带宽2.5 PRBS测试 TLK3132支持PRBS码的产生和验证，便于系统定位链路故障，提高设备的可维护性。TLK3132内部有两套PRBS测试方法，一个在SERDES Core内部（通过寄存器0x9011/0x9012配置），该测试一般是只针对生产测试，且控制性能受限，在电路设计中一般不用该功能；另一个是SERDES Core外面（图1所示），支持 PRBS测试多项式是，可以通过寄存器配置（0x10）或外部引脚PRBSEN逻辑控制打开或关闭。此外，PRBS验证时可通过GPO[1:0]管脚监控PRBS测试误码情况，也可访问寄存器0x1D读取误码数（当读取该寄存器后，将从新开始误码计数）。2.6 MDIO接口和寄存器访问 TLK3132内部寄存器访问通过MDIO管理接口实现（遵循IEEE 802.3 Clause 22规格），包括管理数据时钟（MDC）和管理数据输入输出（MDIO）。由于Clause 22直接寻址寄存器空间限制，TLK3132增加了一些扩展寄存器，故支持两种寻址方式：1）直接寻址：主要包括与物理层相关的链路配置，地址空间分布在0x00~0x1F，PA[0]的高低电平决定对TLK3132的CH0通道或CH1通道进行操作；2）间接寻址：TLK3132的一些扩展功能访问，如内部时钟配置、I/O性能配置等。地址空间分布在0x9000~0x9900，不同通道的功能有独立的寄存器进行配置。通过间接地址访问寄存器，需要先把寄存器地址写到0x1E地址，然后把相应的控制字写到0x1F地址或从0x1F地址读取相应的寄存器值。