基于 TI TLK10002的 SERDES FIFO 溢出的解決方案

作者：李俊明

摘要
分布式基站系統(tǒng)中，RRU 通常會(huì)通過光纖拉遠(yuǎn)實(shí)現(xiàn)與 BBU 的遠(yuǎn)程互聯(lián)。由于光纖自身的特性，傳輸過程中必然會(huì)引入抖動(dòng)和漂移；尤其是漂移，因其低頻特性，并且難于濾除，在SERDES 的 FIFO 深度不夠的情況下有可能會(huì)造成 FIFO 的溢出。
本文首先會(huì)對(duì)這個(gè)問題進(jìn)行一般性地分析，在此基礎(chǔ)上我們將以德州儀器公司 10G SERDES 器件 TLK10002 為例，提出一個(gè)新的解決方案，即采用雙時(shí)鐘模式提供 SERDES系統(tǒng)時(shí)鐘，并且探討了這種模式的具體實(shí)現(xiàn)方式。同時(shí)，為了驗(yàn)證雙時(shí)鐘方案的可行性，我們搭建了相應(yīng)的測試平臺(tái)，并給出了相應(yīng)的測試結(jié)果。

1、光纖漂移引起的 SERDES FIFO 溢出問題分析

1.1 漂移及漂移形成的原因
漂移是一個(gè)數(shù)字信號(hào)的有效瞬時(shí)在時(shí)間上偏離其理想位置的，非累計(jì)性的偏離。所謂的“長期的偏離”是指偏離隨時(shí)間較慢的變化，通常認(rèn)為變化頻率低于 10Hz 就屬于較慢的變化。

實(shí)際數(shù)字信號(hào)存在的相位噪聲，抖動(dòng)時(shí)相位噪聲的高頻成分，漂移是相位噪聲的低頻成分，工程中以10Hz 來劃分高、低頻。產(chǎn)生這兩種頻率成分的機(jī)理有所不同。產(chǎn)生低頻成分，也就是產(chǎn)生漂移的主要原因是傳輸媒質(zhì)和設(shè)備中傳輸時(shí)延的變化，例如光纖白天受熱變長，時(shí)延增加，信號(hào)遲到，相位滯后；光纖夜間受冷變短，時(shí)延減少，信號(hào)早到、相位超前。產(chǎn)生高頻成分，也就是產(chǎn)生抖動(dòng)的主要原因是內(nèi)部噪聲引起的信號(hào)過零點(diǎn)隨機(jī)變化，例如振蕩器輸出信號(hào)的相位噪聲，數(shù)字邏輯開關(guān)時(shí)刻的不確定性等。

漂移不會(huì)直接導(dǎo)致傳輸產(chǎn)生誤碼，因?yàn)閭鬏斣O(shè)備的恢復(fù)時(shí)鐘電路能跟蹤相位的慢變化。漂移幅度變化雖慢，但長期累積幅度可能高達(dá) 1000UI[3]。

1.2 漂移引起的 SERDES FIFO 溢出問題分析

一個(gè)典型的 BBU 和 RRU 系統(tǒng)級(jí)聯(lián)方案如圖 1 所示，在 RRU 一側(cè)，由于 JC PLL（主時(shí)鐘芯片）會(huì)自動(dòng)跟蹤輸入的串行數(shù)據(jù)流，當(dāng)輸入頻率發(fā)生變化時(shí)，JC PLL 會(huì)調(diào)整輸出頻率以匹配輸入頻率的變化。在這個(gè)跳變瞬間，如果 SERDES 的 FIFO 的讀寫速率可能不一致，導(dǎo)致 FIFO 的沖突，從而造成溢出。但是，通過選擇跳變速度足夠快的 JC PLL，這種溢出是完全可以避免的，而一旦JC PLL 鎖定到輸入數(shù)據(jù)流，F(xiàn)IFO 讀寫工作在同一速率，就不會(huì)存在溢出問題。

在 BBU 一側(cè)，值得注意的是時(shí)鐘信號(hào)的抖動(dòng)，尤其是漂移引起的 FIFO 溢出。如果這種漂移來自于 BBU 自身的參考時(shí)鐘，由于輸入數(shù)據(jù)數(shù)率是與 BBU 速率匹配的，不會(huì)造成任何問題； 但是，如上節(jié)所闡述的，光纖的溫漂等特性有可能引入新的漂移，如果 RX FIFO 兩側(cè)工作在不同的時(shí)鐘域， 這種光纖引入漂移會(huì)造成 SERDES 內(nèi)部 FIFO 的碰撞，F(xiàn)IFO 自身的深度如果不足以吸收這種碰撞，就會(huì)引起 FIFO 溢出。

2、BBU SERDES 雙系統(tǒng)時(shí)鐘方案及具體實(shí)現(xiàn)

2.1 TLK10002 內(nèi)部時(shí)鐘架構(gòu)
TLK10002 是德州儀器公司推出的雙通道 10G SERDES 芯片，它可以支持目前所有的 CPRI 和OBSAI 速率，從 1.2288Gbps 到 9.8304Gbps，因而特別適合無線基站的應(yīng)用。

TLK10002 內(nèi)部的時(shí)鐘架構(gòu)如圖 2 所示，它的 A/B 通道可以通過 REFCLK0P/N 或者REFCLK1P/N 管腳來提供參考時(shí)鐘，這兩個(gè)參考時(shí)鐘的選擇可以通過 MDIO 或者REFCLKA_SEL 和 REFCLKB_SEL 管腳來實(shí)現(xiàn)。

高速側(cè) SERDES 的 CDR 主要用于從輸入串行數(shù)據(jù)中恢復(fù)時(shí)鐘信號(hào)，恢復(fù)的時(shí)鐘信號(hào)從CLKOUTAP/N 和 CLKOUTBP/N 輸出。輸出信號(hào)頻率有多種選擇：通過寄存器配置，用恢復(fù)時(shí)鐘頻率除以 1, 2, 4, 5, 8, 10, 16, 20, 或者 25 均可。

對(duì)于每個(gè)通道而言，高速側(cè) SERDES 和低速側(cè) SERDES 可以工作在一個(gè)時(shí)鐘域，即兩者使用同一參考時(shí)鐘；同時(shí)，TLK10002 也提供了另外一種時(shí)鐘模式，即高速側(cè) SERDES 和低速側(cè)SERDES 使用不同的參考時(shí)鐘，這種情況下，高速側(cè)鎖相環(huán)和低速側(cè)鎖相環(huán)會(huì)工作在不同的時(shí)鐘域。

圖 2 TLK10002 內(nèi)部時(shí)鐘架構(gòu)

2.2 TLK10002 雙時(shí)鐘系統(tǒng)方案
基于雙時(shí)鐘 TLK10002 構(gòu)建的系統(tǒng)級(jí)聯(lián)方案如圖 3 所示。在這種方案中，TLK10002 高速側(cè)SERDES 和低速側(cè) SERDES 采用不同的參考時(shí)鐘。

在 BBU 一側(cè)，高速側(cè)鎖相環(huán)采用本地的參考時(shí)鐘，一旦高速側(cè)鎖相環(huán)鎖定，并且 BBU 和 RRU 之間建立穩(wěn)定的鏈路，BBU 一側(cè) TLK10002 的 CDR 會(huì)有穩(wěn)定輸出，這個(gè)輸出給 BBU 上的 Jitter Cleaner 提供參考輸入。 一旦 Jitter Cleaner 正常鎖定，它的輸出又會(huì)作為低速側(cè)鎖相環(huán)的參考輸入。

采用這種配置，由于 SERDES 本身可以處理最高 200ppm 的頻率偏移，發(fā)射和接收通道的速率是完全相互獨(dú)立的。這樣，F(xiàn)IFO 的兩側(cè)完全工作在同一時(shí)鐘域，F(xiàn)IFO 就不會(huì)存在溢出的風(fēng)險(xiǎn)。在這種情況下，F(xiàn)IFO 僅僅用來吸收不同時(shí)鐘之間的相位偏移和補(bǔ)償 jitter cleaner 的跟蹤能力。

2.3 雙系統(tǒng)時(shí)鐘方案的具體實(shí)現(xiàn)

以 BBU 一側(cè)為例，雙系統(tǒng)時(shí)鐘方案具體實(shí)現(xiàn)方式如下圖 4 所示。在這個(gè)方案中，由于 LMK04808具有超低相位噪聲特性，我們使用它作為抖動(dòng)消除器。

圖 4 采用雙時(shí)鐘方案構(gòu)建 BBU SERDES 系統(tǒng)

對(duì)圖 4 所示的系統(tǒng)，系統(tǒng)配置及操作順序如下：
1) 正常配置 TLK10002 0X00 到 0X0D 寄存器。
2) 等待 TLK10002 高速側(cè)鎖相環(huán) HS PLL 正常鎖定。//只要本地參考時(shí)鐘準(zhǔn)備就緒，高速側(cè)鎖相環(huán)即可鎖定（此時(shí)并不需要建立穩(wěn)定的 10G 鏈路）。
3) 切換 TLK10002 ENRX：先置為 0，再置為 1。//使 HS SERDES 自適應(yīng)鏈路狀況。
4) 等待 10ms。 //等待 HS SERDES 設(shè)置參數(shù)，確保 CDR 為 LMK04808 提供有效的參考時(shí)鐘。
5) 配置 LMK04808 確保其正常鎖定。
6) 等待 TLK10002 低速側(cè)鎖相環(huán) LS PLL 正常鎖定。//只要 LMK04808 鎖定并且正常輸出，LS PLL 就可以正常鎖定
7) 重啟數(shù)據(jù)通路。//此時(shí)，低速側(cè)和高速側(cè) SERDES 都具有有效時(shí)鐘，重啟數(shù)據(jù)通路可以優(yōu)化 FIFO的指針位置和觸發(fā)低速側(cè) Lane 重新對(duì)齊

3、雙系統(tǒng)時(shí)鐘方案實(shí)際測試

3.1 測試設(shè)置
TLK10002 雙系統(tǒng)時(shí)鐘方案測試設(shè)置如圖 5 所示。J-BERT 用來產(chǎn)生 9.8304Gbps 的 PRBS7 測試信號(hào)，在這個(gè)信號(hào)上會(huì)加載 45ps 的寬帶隨機(jī)抖動(dòng)；VXI Clock Generator 用于產(chǎn)生 122.88MHz 的本地時(shí)鐘，作為 TLK10002 高速側(cè)鎖相環(huán)的參考時(shí)鐘；LMK04808 作為本地的 Jitter Cleaner，采用 LMK04808 評(píng)估板默認(rèn)的配置，TLK10002 CDR 輸出 122.88MHz 信號(hào)作為 LMK04808 參考輸入，LMK04808 輸出的 122.88MHz LVPECL 信號(hào)作為 TLK10002 低速側(cè)鎖相環(huán)的參考時(shí)鐘；TLK10002 配置成 9.8304Gbps PRBS 測試模式，發(fā)射通道采用默認(rèn)的設(shè)置；高速示波器用于觀測 TLK10002 發(fā)射通道輸出 9.8304Gbps 高速串行信號(hào)。

在 A、B、C、D 四個(gè)測試點(diǎn)，我們將分別測試 TLK10002 串行輸入信號(hào)眼圖、TLK10002 恢復(fù)時(shí)鐘信號(hào)相噪、LMK04808 輸出信號(hào)相噪以及 TLK10002 發(fā)射機(jī)輸出眼圖。

圖 5 TLK10002 雙時(shí)鐘系統(tǒng)方案測試設(shè)置

3.2 實(shí)測結(jié)果
TLK10002 串行輸入信號(hào)眼圖如圖 6 所示，它的隨機(jī)抖動(dòng)（Rj）為 2.98ps，確定抖動(dòng)（Dj）為4.23ps，總的抖動(dòng)（Tj）為 44.98ps，通常，這種類型的寬帶隨機(jī)抖動(dòng)是很難通過均衡來消除的。

TLK10002 恢復(fù)時(shí)鐘輸出相噪曲線如圖 7 所示，采用圖 6 所示的輸入信號(hào)，TLK10002 的恢復(fù)時(shí)鐘 RMS 抖動(dòng)為 3.98ps（1KHz~20MHz）。

LMK04808 輸出相噪如圖 8 所示，可以看到在通過 Jitter Cleaner（LMK04808）之后，由于LMK04808 的強(qiáng)勁抖動(dòng)消除能力，其輸出 RMS 抖動(dòng)僅為 121fs（1KHz~20MHz）。

TLK10002 發(fā)射通道輸出眼圖如圖 9 所示，其隨機(jī)抖動(dòng)（Rj）為 1.02ps，確定抖動(dòng)（Dj）為5.79ps，總的抖動(dòng)（Tj）僅為 19.6ps，眼圖清晰。

4、結(jié)論

由上述理論分析和實(shí)際測試結(jié)果可以清楚地看到由 TLK10002 、LMK04808 構(gòu)建的雙時(shí)鐘系統(tǒng)方案完全可以避免因光纖引入漂移從而導(dǎo)致 SERDES FIFO 溢出的問題；同時(shí)，由于發(fā)射機(jī)眼圖主要是由本地參考時(shí)鐘的相噪決定，采用這種雙時(shí)鐘模式對(duì)眼圖以及發(fā)射機(jī)輸出噪聲性能沒有影響。

5、參考文獻(xiàn)

[1] TLK10002 Datasheet
[2] LMK04808 Datasheet
[3] 光同步傳送網(wǎng)和波分復(fù)用系統(tǒng), 鄧忠禮，清華大學(xué)出版社