JESD204B轉(zhuǎn)換器內(nèi)確定性延遲解密

對(duì)于需要一系列同步模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)的高速信號(hào)采樣和處理應(yīng)用，轉(zhuǎn)換器具有去相位偏移和匹配延遲變化的能力至關(guān)重要。圍繞該特性展開的系統(tǒng)設(shè)計(jì)極為關(guān)鍵，因?yàn)閺哪M采樣點(diǎn)到處理模塊之間的任何延遲失配都會(huì)使性能下降。對(duì)于交織處理而言，樣本對(duì)齊同樣必需，其中，一個(gè)轉(zhuǎn)換器樣本超前另一個(gè)樣本一小部分時(shí)鐘周期。

JESD204B第三代高速串行轉(zhuǎn)換器接口的一個(gè)重要特性是，它能夠確立系統(tǒng)中每個(gè)轉(zhuǎn)換器的確定性延遲。正確理解并利用該特性，便可在單系統(tǒng)中針對(duì)多個(gè)ADC創(chuàng)建同步或交織采樣系統(tǒng)。

由于確定性延遲是相對(duì)較新的轉(zhuǎn)換器接口特性，系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員經(jīng)常在如何建立該特性、目標(biāo)信號(hào)，以及如何針對(duì)同步或交織處理實(shí)現(xiàn)該特性等方面存有諸多疑問。下文將針對(duì)多個(gè)JESD204B轉(zhuǎn)換器與FPGA一同采樣，并具有確定性延遲的系統(tǒng)設(shè)計(jì)的一些常見問題進(jìn)行解答。

什么是確定性延遲，它在JESD204B中是如何定義的?

JESD204B鏈路的確定性延遲定義為串行數(shù)據(jù)從發(fā)送器(ADC或源端FPGA)的并行幀數(shù)據(jù)輸入傳播至接收器(DAC或接收端FPGA)并行去幀數(shù)據(jù)輸出所需的時(shí)間。該時(shí)間通常以幀時(shí)鐘周期的精度或以器件時(shí)鐘進(jìn)行測(cè)量。

JESD204B的確定性延遲規(guī)格沒有考慮到ADC模擬前端內(nèi)核或DAC后端模擬內(nèi)核的情況，它只基于輸入和輸出JESD204B數(shù)字幀的數(shù)據(jù)。不僅兩個(gè)有源器件在這種延遲計(jì)算中作為函數(shù)使用，與兩個(gè)器件接口的空間信號(hào)路由也將作為函數(shù)參與計(jì)算。這意味著，在多轉(zhuǎn)換器系統(tǒng)中，每條鏈路的確定性延遲可能較大或較小，這具體取決于JESD204B通道路由的空間長(zhǎng)度及其各自的延遲情況。接收器的緩沖器延遲有助于彌補(bǔ)路由造成的延遲差異(圖1)。

圖1：兩個(gè)JESD204B器件之間的確定性延遲取決于三個(gè)方面：發(fā)送器成幀器到輸出端的延遲、空間路由延遲和輸入端到解幀器的接收器延遲。來(lái)自同一個(gè)系統(tǒng)中兩個(gè)不同ADC的數(shù)據(jù)可能各自具有獨(dú)特的確定性延遲。

與簡(jiǎn)單的串行鏈路配置不同—比如低壓差分信號(hào)(LVDS)—JESD204B接口將數(shù)據(jù)樣本打包為定義幀。幾個(gè)或多個(gè)樣本的每一個(gè)幀邊界在鏈路握手或初始通道對(duì)齊序列(ILAS)階段均由來(lái)自發(fā)送器的特殊控制字符標(biāo)記。更大的已定義幀群—稱為多幀—在ILAS階段同樣采用相應(yīng)的控制字符標(biāo)記。但是，該序列完成后便不再需要控制字符，并且可以獲取鏈路的全帶寬。幀邊界和多幀邊界分別與幀時(shí)鐘和多幀時(shí)鐘重合。

JESD204B子類對(duì)于確定性延遲意味著什么?

JESD204B協(xié)議的三個(gè)子類定義了鏈路的確定性延遲。子類0向后兼容JESD204和JESD204A，不支持確定性延遲。子類1通過(guò)使用稱為SYSREF的系統(tǒng)參考信號(hào)支持確定性延遲。子類2通過(guò)對(duì)～SYNC信號(hào)的雙重使用支持確定性延遲，并同樣允許接收器初始化握手ILAS例程。將SYSREF與～SYNC相對(duì)于時(shí)鐘精確對(duì)齊的能力決定了目標(biāo)系統(tǒng)所需的子類。

確定性延遲如何用作多個(gè)轉(zhuǎn)換器的采樣對(duì)齊?

對(duì)于子類1轉(zhuǎn)換器實(shí)現(xiàn)而言，幀時(shí)鐘和多幀時(shí)鐘將于出現(xiàn)系統(tǒng)參考邊沿(SYSREF)時(shí)在每個(gè)器件內(nèi)部對(duì)齊。當(dāng)檢測(cè)到SYSREF邊沿時(shí)，這些時(shí)鐘與該點(diǎn)時(shí)間對(duì)齊。由于這些時(shí)鐘對(duì)每個(gè)器件而言都是內(nèi)部的，它們?cè)诎l(fā)送器內(nèi)的邊界可利用控制字符在串行鏈路上進(jìn)行通信。

每個(gè)接收器可相對(duì)其自身同名時(shí)鐘并相對(duì)所有發(fā)送器隱含解碼發(fā)送器幀和多幀時(shí)鐘布局。這使得接收器可以利用緩沖器延遲對(duì)較早到達(dá)的數(shù)據(jù)樣本去偏移，從而與數(shù)據(jù)最后到達(dá)的鏈路相匹配(圖2)。

圖2：在JESD204B發(fā)送器內(nèi)，樣本于時(shí)鐘鎖存系統(tǒng)參考(SYSREF)邊沿后對(duì)齊幀和多幀時(shí)鐘。為直觀起見，本文定義的多幀僅由8個(gè)樣本組成。

對(duì)于同步采樣而言，這些數(shù)據(jù)鏈路可在FPGA內(nèi)按時(shí)間排列。對(duì)于交織采樣而言，每個(gè)鏈路都能以其對(duì)應(yīng)的相對(duì)相位延遲進(jìn)行偏置?？赏ㄟ^(guò)測(cè)量從接收器多幀時(shí)鐘邊沿到每個(gè)對(duì)應(yīng)鏈路的多幀控制字符的時(shí)間延遲，對(duì)每個(gè)鏈路的確定性延遲加以識(shí)別。此處需注意，每個(gè)鏈路的確定性延遲必須小于一個(gè)多幀時(shí)鐘周期(圖3)。

圖3：利用緩沖器延遲，來(lái)自四個(gè)JESD204B發(fā)送器并以多幀形式出現(xiàn)的樣本能與接收器中的多幀時(shí)鐘對(duì)齊。

確定性延遲是否等同于總轉(zhuǎn)換器延遲?

ADC的總延遲表示其輸入一個(gè)模擬樣本、處理并從器件輸出數(shù)字信號(hào)所需的時(shí)間。類似地，DAC的總延遲表示從數(shù)字樣本數(shù)據(jù)輸入器件直到輸出相應(yīng)模擬樣本的時(shí)間。通常，對(duì)這兩者都以采樣時(shí)鐘周期的精度進(jìn)行測(cè)量，因?yàn)樗鼈兣c頻率有關(guān)。它只是單個(gè)轉(zhuǎn)換器器件內(nèi)模擬處理架構(gòu)函數(shù)的一部分。這在原理上與JESD204B鏈路實(shí)現(xiàn)中描述的確定性延遲的定義有所不同，該延遲是三個(gè)器件的函數(shù)。

對(duì)齊多個(gè)轉(zhuǎn)換器的去偏移預(yù)算最大是多少?

在ILAS處理階段，發(fā)送器發(fā)送多幀控制字符，標(biāo)記多幀時(shí)鐘邊界。接收器識(shí)別這些字符，并創(chuàng)建自有局部多幀時(shí)鐘，該時(shí)鐘與上游鏈路的所有發(fā)送器對(duì)齊。對(duì)于采用多個(gè)接收器的大型陣列系統(tǒng)，多幀時(shí)鐘同樣需在所有這些器件中對(duì)齊。因此，任意轉(zhuǎn)換器鏈路的確定性延遲都不可超過(guò)單個(gè)多幀時(shí)鐘周期。這是鏈路上的總?cè)テ茣r(shí)間預(yù)算。

多幀時(shí)鐘的持續(xù)時(shí)間通常為采樣時(shí)鐘周期的數(shù)十倍。它甚至還能通過(guò)設(shè)置參數(shù)變量，在鏈路握手期間調(diào)節(jié)為更長(zhǎng)或更短。

該特性能否在ADC或DAC上正確對(duì)齊至同樣的模擬采樣點(diǎn)，或者有沒有其他要求?

確定性延遲按照以JESD204B成幀器樣本為順序的時(shí)間點(diǎn)，提供樣本對(duì)齊方式。除此時(shí)間之外，ADC還將具有更多延遲時(shí)鐘周期，可用來(lái)處理來(lái)自JESD204B成幀器之前的前端模擬樣本。轉(zhuǎn)換器供應(yīng)商必須指定該時(shí)間周期位于成幀器之前，長(zhǎng)度為時(shí)鐘長(zhǎng)度。相反，解幀器處理樣本并以模擬形式輸出后，DAC將需要額外的時(shí)鐘周期。

在有效模擬樣本數(shù)據(jù)可用以前，對(duì)齊過(guò)程需多長(zhǎng)時(shí)間?

SYSREF邊沿發(fā)送至轉(zhuǎn)換器和FPGA，將開啟對(duì)齊過(guò)程。此事件后，需要完成多個(gè)多幀時(shí)鐘周期以及ILAS序列，才能獲取有效樣本數(shù)據(jù)。這與許多采樣時(shí)鐘周期的相對(duì)時(shí)間等效。特定的持續(xù)時(shí)間可能取決于轉(zhuǎn)換器內(nèi)部JESD204B內(nèi)核的特有確定性延遲，該數(shù)據(jù)由供應(yīng)商提供。在該時(shí)間內(nèi)，鏈路關(guān)斷，不傳輸有效數(shù)據(jù)。在絕對(duì)時(shí)間內(nèi)，持續(xù)時(shí)間將是采樣時(shí)鐘頻率的函數(shù)。

對(duì)于系統(tǒng)設(shè)計(jì)而言，實(shí)現(xiàn)同步采樣最大的挑戰(zhàn)在哪里?

在子類1中，實(shí)現(xiàn)低至樣本級(jí)的同步或交織處理所遇到的最大挑戰(zhàn)之一是，能夠在多個(gè)轉(zhuǎn)換器中按序?qū)RSYSREF的使能邊沿。此外，每個(gè)SYSREF邊沿都要滿足其對(duì)應(yīng)采樣時(shí)鐘的建立和保持時(shí)間要求。這將消耗一部分可用的時(shí)序裕量。主動(dòng)、獨(dú)立地偏移SYSREF和時(shí)鐘之間的精細(xì)相位將有助于實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)換器上的時(shí)序收斂。

SYSREF是單次事件還是重復(fù)事件?每種情況下分別需要了解什么?

SYSREF對(duì)齊邊沿可以是單次脈沖、周期信號(hào)、帶隙周期信號(hào)或重復(fù)非周期信號(hào)。它將根據(jù)系統(tǒng)的需要，以及源端的時(shí)鐘與SYSREF之間的相位偏斜時(shí)序靈敏度而定。對(duì)于重復(fù)SYSREF信號(hào)而言，幀和多幀時(shí)鐘將在每次事件發(fā)生時(shí)重新對(duì)齊。但是，由于目標(biāo)是保持一組對(duì)齊的時(shí)鐘，重復(fù)周期SYSREF信號(hào)的使能邊沿應(yīng)當(dāng)在多幀時(shí)鐘邊界下降。由于時(shí)鐘應(yīng)當(dāng)已經(jīng)在第一個(gè)SYSREF邊沿后對(duì)齊，因此這樣可以防止不必要的重復(fù)對(duì)齊。

周期性SYSREF信號(hào)的一個(gè)不利影響就是可能會(huì)耦合至目標(biāo)模擬信號(hào)。這便是為什么不建議始終采用周期信號(hào)，僅在萬(wàn)不得已時(shí)才使用它的原因。如果使用了周期性SYSREF，則必須仔細(xì)地將其與ADC模擬前端正確隔離。

SYSREF偏斜調(diào)節(jié)至單時(shí)鐘周期以內(nèi)的方法有哪些?

理想情況下，用于每個(gè)轉(zhuǎn)換器和FPGA的SYSREF和時(shí)鐘可精確路由，其時(shí)序裕量滿足所有器件的苛刻建立時(shí)間和保持時(shí)間要求。但隨著高性能轉(zhuǎn)換器采樣速度的不斷增長(zhǎng)，僅通過(guò)精密印刷電路板(PCB)路由已無(wú)法始終滿足時(shí)序收斂要求。不同器件的引腳間差異以及電源和溫度漂移會(huì)在高速轉(zhuǎn)換器陣列上產(chǎn)生一個(gè)相對(duì)大的時(shí)序偏移?？赡苄枰呒?jí)時(shí)序調(diào)節(jié)功能來(lái)提供主動(dòng)SYSREF相位偏移。

例如，來(lái)自ADC的警報(bào)可以識(shí)別SYSREF邊沿是否在建立和保持阻擋時(shí)序窗口中被鎖存。如果確實(shí)如此，那么對(duì)于哪個(gè)時(shí)鐘邊沿(時(shí)鐘[N]或時(shí)鐘[N+1])用于時(shí)序參考將存在不確定性。取決于何處檢測(cè)到SYSREF邊沿，相對(duì)于SYSREF的采樣CLK邊沿相位在時(shí)鐘源處可能存在延遲，以保持滿足建立和保持時(shí)間要求的有效時(shí)序條件。

另一種方法是利用采樣時(shí)鐘的下一個(gè)下降沿(而非上升沿)來(lái)獲取相位裕量的半周期。系統(tǒng)中的所有轉(zhuǎn)換器均能以這種方式進(jìn)行調(diào)整，前提是時(shí)鐘源針對(duì)相應(yīng)的SYSREF和CLK具有獨(dú)立的相位調(diào)整(圖4)。

圖4：如需在高速下達(dá)到低至樣本級(jí)的對(duì)齊性能，則滿足相對(duì)于輸入時(shí)鐘的SYSREF的建立和保持時(shí)間要求可能有難度。能夠在相位的早期階段偏移每一個(gè)SYSREF輸入以防建立時(shí)間出現(xiàn)偏差(相對(duì)于其CLK)，有助于滿足系統(tǒng)中多個(gè)轉(zhuǎn)換器的時(shí)序收斂要求。

支持子類1和子類2的轉(zhuǎn)換器需要使用確定性延遲功能嗎?

如JESD204B規(guī)格定義，子類1和子類2是支持確定性延遲的僅有子類。在子類1中，SYSREF信號(hào)定義確定性延遲。在子類2中，～SYNC信號(hào)定義該延遲。但是，某些轉(zhuǎn)換器供應(yīng)商創(chuàng)建了子類0實(shí)現(xiàn)，用來(lái)支持樣本對(duì)齊的同步方案。這種情況下將不使用轉(zhuǎn)換器和FPGA之間的多幀時(shí)鐘對(duì)齊步驟。

利用附加的輔助信息(稱為控制位)，可在樣本級(jí)采用時(shí)間戳機(jī)制標(biāo)記SYSREF的出現(xiàn)情況。與SYSREF邊沿重合的每一個(gè)樣本均以唯一控制位標(biāo)記。在FPGA內(nèi)，所有擁有此時(shí)間戳的鏈路可以延遲至等于最長(zhǎng)路徑然后互相對(duì)齊，與轉(zhuǎn)換器之間的延遲差別無(wú)關(guān)(圖5和圖6)。

圖5：利用SYSREF控制位時(shí)間戳，在一個(gè)FPGA處理模塊內(nèi)可實(shí)現(xiàn)子類0中的樣本對(duì)齊，而與模擬輸入到JESD204B輸出之間的多個(gè)ADC上的實(shí)際延遲差異無(wú)關(guān)。

圖6：利用附加的控制位作為觸發(fā)器(紅色，標(biāo)記為與前端模擬輸入重合)，則FPGA可以對(duì)齊具有不同延遲的信號(hào)鏈樣本。

總結(jié)

雖然確定性延遲是JESD204B中較為復(fù)雜的一項(xiàng)特性，但若善加利用，便可成為高性能信號(hào)處理系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的一項(xiàng)強(qiáng)大特性。來(lái)自ADC陣列的樣本可通過(guò)緩沖器延遲在FPGA內(nèi)部對(duì)齊并去偏移，從而實(shí)現(xiàn)同步或交織采樣。JESD204B子類識(shí)別對(duì)于理解系統(tǒng)的時(shí)序?qū)R能力非常重要。系統(tǒng)ADC的SYSREF和CLK輸入引腳處的時(shí)序收斂對(duì)于實(shí)現(xiàn)樣本的時(shí)間對(duì)齊而言極為關(guān)鍵。