同步GHz采樣系統(tǒng)——不適合膽小者

在無線電系統(tǒng)中應(yīng)用數(shù)字波束成形，需要同時(shí)采樣天線陣列的低層信號(hào)。這需要保存信號(hào)到達(dá)每個(gè)天線節(jié)點(diǎn)的空間信息。雖然這種方案復(fù)雜度較高，會(huì)帶來額外的功耗，但其也具有一些顯著的優(yōu)點(diǎn)：

·高信噪比(SNR)幫助提高無線鏈接容量，從而增加信號(hào)范圍

·使用天線陣列的空間特性避免干擾。因?yàn)楦蓴_來自某個(gè)特定方向，波束成形算法可使用零位技術(shù)消除干擾。

·高效率、大容量的無線鏈路意味著雷達(dá)系統(tǒng)可同時(shí)追蹤多個(gè)目標(biāo)，或移動(dòng)電話網(wǎng)絡(luò)可支持多個(gè)通話。

今天，很多應(yīng)用使用波束成形，或者至少需要同步采樣。但是，在GHz頻率下工作時(shí)，IC和板級(jí)的信號(hào)的傳播時(shí)間都非常重要。PCB走線被用于傳輸線，因此需保證信號(hào)線長度匹配以保持相位信息。每厘米的線長將增加60到75ps的傳遞時(shí)間。將其與6GHz采樣時(shí)鐘的166ps時(shí)鐘周期相比，可以看出板級(jí)的效應(yīng)會(huì)極大影響設(shè)計(jì)。這解釋了為什么在高速采樣系統(tǒng)中PCB布線是一個(gè)關(guān)鍵的因素。但是，還有另外一個(gè)因素會(huì)使設(shè)計(jì)變得困難，這個(gè)因素和時(shí)域有關(guān)，稱為亞穩(wěn)態(tài)。

同步鏈為ESIstream帶來確定的延遲

亞穩(wěn)態(tài)描述了數(shù)字電路中的一種不確定的狀態(tài)，隨著采樣率的提高，它成為了潛在的系統(tǒng)時(shí)序問題的一個(gè)重要原因。用戶需用同步的方法對(duì)抗亞穩(wěn)態(tài)，這正是引入同步鏈的方案的原因。

用戶需要一種可靠且簡單的同步時(shí)序?qū)崿F(xiàn)方法。在Teledyne e2v，確定性同步圍繞著一對(duì)事件驅(qū)動(dòng)的差分電信號(hào)建立：同步和同步輸出信號(hào)(SYNCTRIG和SYNCO)。這些信號(hào)保證目標(biāo)轉(zhuǎn)換器的時(shí)序系統(tǒng)可被復(fù)位，并且所有的數(shù)字子系統(tǒng)都被恰當(dāng)?shù)劓i定到主參考時(shí)鐘。另外，這種同步方案可擴(kuò)展到大系統(tǒng)中的多個(gè)ADC。

這種方案的優(yōu)點(diǎn)在于非常簡單——它無需額外的時(shí)鐘信號(hào)，可保證系統(tǒng)生命周期內(nèi)多個(gè)并行通道的同步。一旦設(shè)計(jì)完成準(zhǔn)備生產(chǎn)，可使用一個(gè)訓(xùn)練序列建立正確的系統(tǒng)同步。如果環(huán)境條件變化，比如溫度或電壓變化，系統(tǒng)時(shí)序參數(shù)保持不變。同步鏈提供了一個(gè)非常可靠的同步源，這對(duì)產(chǎn)品量產(chǎn)是一個(gè)巨大的優(yōu)勢(shì)。

然后，為了實(shí)現(xiàn)確定性延遲，在ESIstream鏈路的接收端有一個(gè)簡單的計(jì)數(shù)器和接收彈性緩沖，用于補(bǔ)償傳遞過程的最大線路延遲不確定度。

圖9 ESIstream接收器中的幀計(jì)數(shù)器的位置

FPGA內(nèi)部的計(jì)數(shù)器模塊計(jì)算SYNCTRIG上升沿事件和“所有線路接收準(zhǔn)備好”事件之間的Rx的時(shí)鐘數(shù)。這些信息和彈性接收緩沖允許整個(gè)系統(tǒng)的接收數(shù)據(jù)對(duì)齊。這樣，利用ESIstream的產(chǎn)品帶有的信號(hào)鏈功能，將確定性行為擴(kuò)展到整個(gè)使用ESIstream的系統(tǒng)中的方法是可行的。

ESIstream VHDL模塊——發(fā)展的目標(biāo)

為了使ESIstream更加易于使用，Teledyne e2v的提出者Teledyne e2v 在 2018 年底啟動(dòng)了一個(gè)項(xiàng)目，研發(fā)ESIstream Tx和Rx的IP模塊，用于行業(yè)內(nèi)FPGA廠家(包括Xilinx和Intel)提供的通用FPGA。IP將支持不同的運(yùn)行速度，且適用于包括宇航級(jí)在內(nèi)的不同等級(jí)的應(yīng)用。毋庸置疑，IP的重點(diǎn)在于為Teledyne e2v現(xiàn)有的產(chǎn)品系列提供匹配的性能。為了實(shí)現(xiàn)這個(gè)固定功能的IP，Teledyne e2v在底層做了很多工作以動(dòng)態(tài)定義可配置的線速率模塊，包含一系列廣泛的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器采樣頻率，并支持更多可定義的功能。

串行化的未來

Teledyne e2v未來的開發(fā)計(jì)劃還包括用于ESIstream物理層的光纖應(yīng)用。光纖允許轉(zhuǎn)換器被放置在距離FPGA很遠(yuǎn)的地方，而不是基于銅線的接口(PCB走線或同軸電纜)。通過將兩塊Xilinx VC709評(píng)估板使用四個(gè)SFP(小型可插拔)光線路連接并運(yùn)行在6Gsps的速度，證明了上述的特性。

圖9 使用物理層的光纖演示ESIstream Tx和Rx

在經(jīng)過完整的測試和認(rèn)證后，VHDL代碼模塊將被放置在網(wǎng)站上，供用戶免費(fèi)下載。

ESIstream和JEDEC對(duì)比

ESIstream的系統(tǒng)級(jí)優(yōu)點(diǎn)可簡單概括如下：

·無需每個(gè)器件的LMFC時(shí)鐘，無需LMFC時(shí)鐘的對(duì)齊操作。

·當(dāng)使用單個(gè)器件或采用同步鏈同步多個(gè)器件時(shí)，無需考慮ESIstream同步信號(hào)的PCB線長匹配。

·無需SYSREF，因此與JESD204B相比，ESIstream降低了硬件復(fù)雜度，實(shí)現(xiàn)了確定性操作。

·ESIstream系統(tǒng)中的確定的同步行為是通過一種叫做同步訓(xùn)練的特性(請(qǐng)參考其他文檔)實(shí)現(xiàn)的。ESIstream僅需要一次系統(tǒng)的訓(xùn)練。一旦得到延遲參數(shù)，對(duì)于給定的設(shè)計(jì)這些延遲參數(shù)將維持不變。這意味著ESIstream是一種易于量產(chǎn)化的接口。

結(jié)語

JESD204B子集1和2里描述的JEDEC數(shù)據(jù)串行化方法似乎解決了多通道數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器系統(tǒng)的確定性操作的挑戰(zhàn)。這在一定程度上無疑是正確的，但是通常被忽視的是設(shè)計(jì)師在處理復(fù)雜傳輸和規(guī)格物理層需求時(shí)遇到的眾多挑戰(zhàn)。

工程師通常認(rèn)為用于信號(hào)處理SoC(FPGA或ASIC)的JESD204B許可證和核心IP可幫助解決大多數(shù)設(shè)計(jì)上的問題。但是，據(jù)報(bào)道，很多事實(shí)和經(jīng)驗(yàn)表明，JESD204B引入的多域時(shí)鐘復(fù)雜度的時(shí)序約束，給PCB的設(shè)計(jì)帶來了很大的麻煩。

還有另外一個(gè)方法。ESIStream。ESIStream是一個(gè)開源免費(fèi)的協(xié)議。它與JESD204B的性能等級(jí)相同，但能帶來更好的用戶體驗(yàn)。低復(fù)雜度，易于設(shè)計(jì)，低功耗?，F(xiàn)在，隨著用于工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)FPGA的Rx和Tx的IP模塊和VHDL代碼模塊的發(fā)布，大大降低了ESIstream的使用難度。目前IP模塊在開發(fā)階段，會(huì)支持Teledyne e2v新數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器的規(guī)格。另外，用戶可免費(fèi)下載適用于自己的高速串行項(xiàng)目的VHDL代碼模塊。