发布时间 : 星期二 文章FPGA高速串行收发器，GTP,GTX - 图文更新完毕开始阅读
大多数的SERDES都有时钟修正选项。时钟修正需要使用唯一的符号或者符号序列，它们在数据流中是不会出现的。因为时钟修正是对齐的后续处理，所以可以比较容易地通过保留一个K字符、或者一组有序的K字符、或者一个时钟修正数据序列来实现。时钟修正进行的频数必须足够多，从而可以通过丢弃或者重复来补偿时钟的差异。当然，有些系统并不需要时钟修正。例如，相同的参考时钟和相同的速率意味着不需要进行时钟修正。同样，如果所有接收电路的时钟都来自恢复时钟，那么时钟修正也是不需要的。如果FIFO的写入速率和读出速率相等，也没有必要进行时钟修正。如果所有的传输参考时钟都是通过一个外部的PLL锁定在一个公共的参考频率上，那么也不需要时钟修正。
3线路编码机制
线路编码机制将输入的原始数据转变成接收器可以接收的格式。同时，线路编码机制还必须保证有足够的切换提供给时钟恢复电路。编码器还提供一种将数据对齐到字的方法，同时线路可以保持良好的直流平衡。线路编码机制也可选择用来实现时钟修正、块同步、通道绑定和将带宽划分到子通道。线路编码机制主要有两种：数值查找机制和自修改数据流或扰码器机制。目前常用的有：8B/10B编码、4B/5B编码以及扰码。
1）8b/10b编码
8b/10b编码机制是由IBM开发的，已经被广泛采用。8b/10b编码机制是Infiniband，吉比特以太网，FiberChannel以及XAUI 10G以太网接口采用的编码机制。它是一种数值查找类型的编码机制，可将8位的字转化为10位符号。这些符号可以保证有足够的跳变用于时钟恢复。8b/10b编码具有良好的直流平衡特性，通过―运行不一致性‖的方法来实现，即只使用有相同个数0和1的符号，但这会限制符号的数量。同时，8b/10b中的comma字符（用于表示对齐序列的一个或两个符号）可辅助数据对齐。
8b/10b机制能带来字对齐、时钟修正机制、通道绑定机制和子通道生成等功能，其唯一的缺陷是开销。为了获得2.5Gbit的带宽，它需要3.125Gb/s的线路速率。从减小开销的角度讲，下面所讲述的扰码技术可以很容易地解决时钟发送和直流偏置问题，并且不需要额外的带宽。
2）4b/5b编码
4b/5b和8b/10b是类似的，但是要简单些，将4个比特编码成5个比特。4b/5b的控制字符要少一些，但不能处理直流平衡和不一致性问题。由于编码开销相同但是功能却比较少，4b/5b编码机制并不经常使用。它的最大优势是设计的尺寸，不过随着逻辑门价格的降低这个优势也不再明显。目前，4b/5b仍用在各种低速标准中，包括低速率版本的光纤通路、音频标准AES-10以及多通道数字音频复接标准MADI接口中。 3）扰码
扰码是一种将数据重新排列或者进行编码以使其随机化的方法，但要求必须能够通过解扰恢复。加扰的目的就是打乱长的连0和长的连1序列，将数据随机化。一般将那些在解扰时不需要额外对齐信息的扰码称作自同步码。扰码发生器通常由移位寄存器组成，所占用的硬件资源很少。
扰码器消除了长连0和长连1序列以及其它会对接收器接收能力有负面影响的序列，但并不能取代8b/10b编码。在实际中，由于存在不允许的数值，所以需要设计数据流中不能出现连0或连1的长度。长的连0、连1会被扰码器打乱，并在解扰时进行恢复。接收数据流的解扰逻辑在数据流中搜寻这些符号并对齐数据。
4．接收和发送缓冲器
接收和发送缓冲器，是吉比特级收发器的主要数字接口，通常是高速FIFO。发送端通常有一个小型的FIFO，它要求读取和写入的时钟是等时同步的（频率匹配但相位不一定匹配）。如果接收和发送的选通信号不是工作在精确相同的频率，则通常需要使用一个较大的FIFO，并持续检测FIFO的当前状态。如果FIFO被不断地填充，将最终导致溢出。在这种情况下，必须在输入数据流中检测idle符号。如果检测到idle符号，则不把idle符号写入FIFO；反过来，如果FIFO运行较慢则在输出数据流会出现idle符号，数据被传送给用户。此时写指针保持不动，不断重复idle符号。相对于发送缓冲器而言，MGT内建的接收FIFO通常需要有更深层次的考虑。它的主要目的是为了实现时钟修正和通道绑定。
5．线路均衡
线路均衡主要用于补偿由频率不同而引起的阻抗/衰减差异。均衡器有很多种形式，但总体上可以分为有源和无源两种。均衡器通常包含在SERDES的模拟前端，或者作为系统的一个独立部分。
1）均衡技术简介
无源均衡器是无源电路，其频率响应可以补偿传输衰减。它也可以看作一个滤波器，将传输线所使用的各个频率通过，而将传输线没有使用的其他频率滤除，那么整体的频率响应就会变得平坦许多。有源均衡器可以认为是依赖频率的放大器/衰减器。
有源均衡器主要有两种：固定形式有源均衡器和自适应有源均衡器。对于任意的输入数据流，固定形式有源均衡器的频率响应都是一样的。固定形式均衡器比较适合于不变系统中，例如：芯片到芯片，平衡化的背板系统以及固定长度电缆的系统；自适应均衡器要复杂的多，自适应均衡器需要分析输入信号并检测哪些频率在传输通道中被削弱。在该均衡器中，测量和调节是以闭环形式实现的。自适应均衡器的频率响应取决于输入的比特流，它通常和特殊形式的线路编码机制协同工作。自适应均衡器对于可变通道的链路来说是最合适的，可变通道可以是可变的电缆长度，或是显著的位置依赖的背板系统。
2）预加重/取加重技术
预加重是一种非常普遍的均衡技术。在发送端，通过增加一串相同符号中首位符号的输出级，降低随后符号的输出级，来预先抬高输出信号频谱中的高频分量，补偿传输通道的低通滤波效应。这样，在接收端就可以得到相对均衡的眼图，使接收器能够准确地接收和恢复信号。这种技术对于高数据速率的设计而言，简单而有效。发送预加重技术主要是通过采用FIR多抽头的有限冲激响应均衡滤波器来实现的。输入到滤波器中的是当前、过去和将来要发送的数据位。滤波的系数取决于通道特性，最佳
的滤波长度取决于影响当前正在发送数据的比特数量。在具体实现中，一般采用二抽头FIR，进行双电流控制。在电路转换时，为了克服传输通道的滤波效应，发送器分发额外的动态电流。在转换后，则提供一个更低的驱动电流。不同的通道损耗补偿需要不同程度的信号预加重；因此，在发送器设计中，预加重功能一般是编程可控的。为了和发送端预加重相匹配，则在接收端必须有去加重。
6．数据包的概念
通过吉比特串行链路传输的数据大都是嵌入在某种类型的数据包中的。包是一种确切定义的字节集合，包括头部、数据和尾部。如果系统通过包来完成时钟修正，发送特殊的比特序列或者comma字符。时钟修正序列常常是比较理想的字符，comma字符是指示帧的开始和结束的天然标识。在数据中加入有序集合用于指示包的开始、结束以及包的特殊类型之后，就构成了简单而高速的传输通道。其中，空闲符号（Idle）或序列是包的概念的另一要点。如果没有信息需要发送，则发送idle符号，从而保证数据的连续传输并使其保持对齐， 10.2.3 吉比特串行I/O的设计要点
解决工程问题的关键在于充分的理解。在设计吉比特级收发器时，面临的挑战包括：理解收发器协议、信号完整性、阻抗和功率要求、屏蔽性要求、印刷电路板（PCB）设计要求以及连接器和电缆的选择要求。
1．电源
电源传送也是使用吉比特级收发器时需要考虑的重要因素。多数的MGT都需要多个电源供电。典型的电源包括：RX模拟电源、TX模拟电源、模拟地、RX终端电压、TX终端电压、数字电源以及数字地。所有的模拟发送和接收电源以及相关的模拟地必须是极其干净的，这一点是十分重要的。所以，MGT制造商通常都会使用特定电路。因此至少要求每个电压值都有各自的模拟电压校准器（如果不是每个MGT都有各自独立的校准器），并且要求使用无源的电源滤波器（由一个电容和一个铁氧体磁珠组成）。典型的电源滤波电路如图10-2所示。
图10-2 MGT电源滤波电路
某些MGT将电容包含在封装的内部，此时通常只需要铁氧体磁珠。如果制造商建议使用特定电路，则通常最好遵从其建议。原因之一是，在公共部分配置了多个MGT的情况下，通常只需要一个单独的线性调整器即可。滤波器电路可以防止电源噪声进入MGT，同时它还可以防止来自某个MGT的噪
声滤进其它MGT。此滤波器既是输入滤波器也是输出滤波器。有时制造商会基于自己所需的输出滤波性能，在输入滤波器和输出滤波器性能间做出折衷。
2．匹配电阻
实现信号完整性的第一步就是在差分传输线上传送这些信号。根据通常的定义，传输线都有一定的固定阻抗。实际上，阻抗值并不是恒定的，而是变化的。这个问题在下面的几种情况下尤其突出：信号由一层转移到另一层时，信号遇到元件的焊盘时，或信号通过连接器或电缆时。当运行在吉比特级速率范围内，些许的阻抗增加都会是潜在的问题。吉比特级链路需要使用阻抗无限制通道，否则其无法工作。
我们需要对传输通道进行模拟，并在布线之前使用CAD的信号完整性工具来最终确定连接器和电缆。我们在获取初始原型时，需要用时域反射测量法（TDR）来检验通道的阻抗。100欧姆和50欧姆的传输线是最常用的传输线。部分收发器可以适配两种传输线，而部分收发器可能只能支持其中的一种。对于10Gb/s范围的应用，50欧姆显然是最通常的选择。如果收发器同时支持100欧姆和50欧姆，那么连接器和电缆的选择问题应当慎重考虑。
3．印制电路板的设计
对于优秀的PCB设计者来说，设计用于吉比特级操作的PCB也会是一个挑战。设计者需要注意：差分线路必须匹配，阻抗受限的差分线路的几何形状必须随着层数的增加而相应变化，电源分配也必须严格分析。因为可能存在成千上万的独立的设计折衷和决定，所以全面列出所面临的问题可能会有所帮助。主要包括如下的几个方面：
? 材料选择 ? 叠层结构/板厚度 ? 电源层和地层 ? 差分线路对
? 差分线路的宽度和间隔 ? 过孔
? 线路对之间的间隔 ? 电源布局
在实际设计中，必须参考不同FPGA厂家对PCB设计的详细说明文档，否则系统很可能不能正常工作。
4．数字设计部分
吉比特级链路的模拟仿真需求让我们进入了一个崭新的EDA工具世界，而其数字部分的影响则要小得多。尽管如此，数字仿真时还是有几个事项需要考虑的。
1）MGT行为模型都是以特殊的加密形式出现的。这些模型都是复杂的内核，而且都是非常有价值的知识产权（intellectual property，IP）核。所以，厂商为了保护他们的知识产权，通常只会以IP-safe