JESD204C入門(mén)第2部分：新特性及其內容
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在JESD204C入門(mén)系列的第1部分中，通過(guò)描述它解決的一些問(wèn)題，對JESD204標準的新版本進(jìn)行了說(shuō)明。通過(guò)描述新的術(shù)語(yǔ)和特性來(lái)總結B和C版本標準之間的差異，然后逐層概述這些差異。因為第1部分已經(jīng)奠定了理解基礎，現在我們來(lái)進(jìn)一步研究一下JESD204C標準幾個(gè)更值得注意的新特性。
64b/66b和64b/80b鏈路層
對于64b/66b鏈路層，66位數據塊由兩個(gè)同步頭位，后接八個(gè)八位位組的樣本數據組成，其中部分是基于IEEE 802.3第49條定義的數據塊格式。與IEEE標準不同的是，它沒(méi)有編碼——有效載荷數據只是轉換器樣本數據，由傳輸層打包到數據幀中。由于沒(méi)有編碼來(lái)確保發(fā)生一定數量的數據轉換來(lái)提供dc平衡，因此必須對樣本數據進(jìn)行加擾。這些加擾的八位位組的幀數據被直接放入鏈路層，兩個(gè)同步頭位附加在其中。
64b/66b數據塊的格式如圖1所示。該示例展示了這樣的情況：一個(gè)數據通道由幀組成，每個(gè)幀包含來(lái)自一個(gè)轉換器的一個(gè)樣本。塊映射規則與來(lái)自JESD204B標準的幀映射規則非常相似。按順序完成八位位組到64位數據塊的映射，其中D0表示幀的第一個(gè)八位位組。例如，如果F = 8，D0表示JESD204C幀的第一個(gè)八位位組，D7表示JESD204C幀的最后一個(gè)八位位組。該幀的第一個(gè)八位位組的MSB是Converter0的Sample0的MSB（與JESD204B一樣）。例如，如果F = 2，D0和D1代表第一個(gè)幀，D2和D3代表第二個(gè)幀，以此類(lèi)推。
為了與JESD204B中使用的方法保持一致，多塊中的八位位組按MSB到LSB的順序被轉移到加擾器/解擾器中。
在E = 1的情況中，每個(gè)多塊都從幀邊界開(kāi)始。如果E > 1，擴展多塊將從（必須從）幀邊界開(kāi)始。有關(guān)更多信息，請參考多塊(MB)和擴展多塊(EMB)章節。
圖1.64b/66b數據塊格式示例，LMFS = 1.1.2.1，N = N’ = 16。
同步頭是一個(gè)2位未加擾值，位于每個(gè)數據塊的開(kāi)始位置，其內容經(jīng)過(guò)解析之后，用于解碼單個(gè)同步轉換位。這些位要么采用0-1序列，表示邏輯1，要么采用1-0序列，表示邏輯0。表1列舉了同步頭的轉換位值。
表1.同步頭位值
同步頭位(0.1) | 同步轉換位 |
00 | 無(wú)效 |
01 | 1 |
10 | 0 |
11 | 無(wú)效 |
64b/80b數據塊的格式如圖2所示。除了樣本數據的八個(gè)八位位組和兩個(gè)同步頭之外，還具有兩個(gè)填充位，位于每個(gè)八位位組之間。填充位的值由17位PRBS序列決定，以減少雜散，并確保適當數量的數據轉換以保持dc平衡。未加擾的填充位在樣本數據加擾之后插入到塊中。
Figure 2. 64b/80b block format example for LMFS = 1.1.2.1, N = N’ = 16.
圖2.64b/80b數據塊格式示例，LMFS = 1.1.2.1，N = N’ = 16。
提供64b/80b選項是為了與8b/10b保持相同的時(shí)鐘比，幫助簡(jiǎn)化鎖相環(huán)(PLL)設計，同時(shí)最小化雜散。對于希望通過(guò)使用前向糾錯或利用同步字提供的其他功能的應用，相比8b/10b，更應該選擇64b/80b，稍后將就這一問(wèn)題進(jìn)行詳細討論。
多塊(MB)和擴展多塊(EMB)
JESD204C多塊中包含32個(gè)塊。每個(gè)多塊中的32個(gè)同步轉換位構成一個(gè)32位同步字。稍后，我們將就此進(jìn)行詳細討論。擴展多塊是一個(gè)E多塊容器，必須包含整數數量的幀。當多幀不包含整數數量的幀時(shí)，要求E > 1。多塊和擴展多塊的格式如圖3所示。
多塊可以是2112 (32×66)位，或者是2560 (32×80)位，具體由所用的64位編碼方案決定。對于大多數場(chǎng)景，擴展多塊只是一個(gè)多塊。JESD204C中引入了E參數，確定了擴展多塊中的多塊數量。E的默認值為1。如上所述，當幀F中的八位位組的數量不是2的倍數時(shí)，該配置要求E > 1。E的公式為：E = LCM(F, 256)/256。發(fā)送12位樣本且N’=12時(shí)，一般選擇這些配置，以最大化鏈路中的帶寬效率。這一要求確保EMB邊界與幀邊界一致。
圖4和圖5所示為E > 1的JESD204C配置示例。所示的JESD204C配置適用于以下情況：LMFS = 2.8.6.1，N’ = 12，E = 3。圖4顯示了傳輸層的映射情況。在這個(gè)配置中，每個(gè)通道有4個(gè)12位樣本，相當于6個(gè)八位位組。由于多塊的每個(gè)塊都需要8個(gè)八位位組，因此該塊中填充了來(lái)自后續幀的2個(gè)八位位組（1.33個(gè)樣本）。
圖3.JESD204C多塊和擴展多塊的格式。
LMFS = 2.8.6.1 N = 12 N’ = 12 | LMFS = 2.8.6.1 N = 12 N’ = 12 |
2 Lanes (L = 2) | 2個(gè)通道 (L = 2) |
8 Converters (M = 8) | 8個(gè)轉換器 (M = 8) |
1 Sample per Converter per Frame (S = 1) | 每轉換器每幀一個(gè)樣本(S = 1) |
12-Bit Nibble Group (N’ = 12) | 12位 半字節組 (N’ = 12) |
6 Octets per Lane (F = 6) | 每通道6個(gè) 八位位組(F = 6) |
ADC7 D11…D0 | ADC7 D11…D0 |
Nib. Grp 3 | 半字節組3 |
Cnv7Smpl0 | Cnv7Smpl0 |
Lane1, Octet 5 | 通道1，八位位組5 |
1 Frame of Data Has 6 Octets, so 2 More Octets Needed from Subsequent Frame to Fill the Block | 1個(gè)數據幀有6個(gè)八位位組， 所以需要從后續幀獲取2個(gè)八位位組，以填充塊 |
Scramble | 加擾 |
Serialize/SH Insert | 序列化/SH插入 |
Transport Layer | 傳輸層 |
64b/66b Link Layer | 64b/66b鏈路層 |
圖4.傳輸層映射，LMFS = 2.8.6.1，N’ = 12，E = 3。
圖5顯示了如何使用來(lái)自傳輸層的數據幀來(lái)形成塊和多塊。如圖所示，可以看到幀邊界與每三個(gè)塊的塊邊界對齊。由于多塊由32個(gè)塊組成，所以要在第三個(gè)多塊之后才能和多塊對齊。因此，E = 3。
LEMC是擴展多塊計數器，大致相當于8b/10b鏈路層中的LMFC。SYSREF對系統中的所有LEMC進(jìn)行對齊，并使用LEMC邊界來(lái)確定同步和通道對齊。
Scramble Serialize/SH Insert | 加擾 序列化/SH插入 |
Block 0 SH Octet0 | 塊0 SH 八位位組0 |
Lane1, Block0 Contain Sample 0 from Converters 7:4, Sample 1 from Converter 4, and Bits 11:8 of Converter 5 Sample 1. These 64 Bits Are Scrambled to Form a Scrambled Block of Data. | 通道1、塊0包含來(lái)自轉換器7:4的樣本0、來(lái)自轉換器4的樣本1，以及來(lái)自轉換器5樣本1的位11:8。這些64位都已加擾，以形成加擾數據塊。 |
Lane0, Block0 Contain Sample 0 from Converters 3:0, Sample 1 from Converter 0, and Bits 11:8 of Converter 1 Sample 1. These 64 Bits Are Scrambled to Form a Scrambled Block of Data. | 通道0、塊0包含來(lái)自轉換器3:0的樣本0、來(lái)自轉換器0的樣本1，以及來(lái)自轉換器1樣本1的位11:8。這些64位都已加擾，以形成加擾數據塊。 |
Frame 0 | 幀0 |
Block 2 | 塊2 |
Frame Boundaries Align with Block Boundaries on Every Third Block. | 幀邊界與每三個(gè)塊的塊邊界對齊。 |
Frame 3 | 幀3 |
MB | MB |
EMB = 3 | EMB = 3 |
Frame Boundaries Near a Multiblock Boundary Occur at 33 and 63 – Blocks, not Aligned. | 多塊邊界附近的幀邊界出現在塊33和63邊界處，沒(méi)有對齊。 |
SERDOUT1± | SERDOUT1± |
Multiblock and Frame Alignment Occurs at the End of 96th Block (Block 95) and 128th Frame (Frame 127). So, E = 3. | 多塊和幀對齊出現在第96個(gè)塊（塊95）和第128個(gè)幀（幀127）的末端位置。因此，E = 3。 |
SERDOUT0± | SERDOUT0± |
Frame 127 | 幀127 |
圖5.串行輸出多塊/幀對齊，LMFS = 2.8.6.1，N’ = 12，E = 3。
同步字
32位同步字由多塊中32個(gè)塊的每個(gè)同步頭位組成，其中第一個(gè)傳輸的是位0。同步字用于提供通道同步，并使能確定性延遲。此外，它還可以選擇性地提供CRC錯誤校驗、前向糾錯，或者提供一個(gè)命令通道，供發(fā)射器與接收器通信。
32位同步字有三種不同的格式選項。在每種情況下，都需要多塊序列的結束，因為它用于獲得多塊同步和通道對齊。表2和表3顯示了兩個(gè)最常見(jiàn)用例中可用的不同位字段。
表2.CRC-12同步字
同步字位 | 域名 | 功能 |
0 | CRC11 | 12位CRC值的位11:9——適用于之前的多塊 |
1 | CRC10 | |
2 | CRC9 | |
3 | 1 | 始終為1 |
4 | CRC8 | 12位CRC值的位8:6——適用于之前的多塊 |
5 | CRC7 | |
6 | CRC6 | |
7 | 1 | 始終為1 |
8 | CRC5 | 12位CRC值的位5:3——適用于之前的多塊 |
9 | CRC4 | |
10 | CRC3 | |
11 | 1 | 始終為1 |
12 | CRC2 | 12位CRC值的位2:0——適用于之前的多塊 |
13 | CRC1 | |
14 | CRC0 | |
15 | 1 | 始終為1 |
16 | Cmd6 | 7位命令通道的位7:5 |
17 | Cmd5 | |
18 | Cmd4 | |
19 | 1 | 始終為1 |
20 | Cmd3 | 7位命令通道的位4:2 |
21 | Cmd2 | |
22 | Cmd1 | |
23 | 1 | 始終為1 |
24 | Cmd0 | 7位命令通道的位0 |
25 | 1 | 始終為1 |
26 | EoEMB | 擴展多塊結束位 |
27 | 0 | 多塊結束導頻信號 |
28 | 0 | |
29 | 0 | |
30 | 0 | |
31 | 1 |
表3.FEC同步字
同步字位 | 域名 | 功能 |
0 | FEC[25] | 26位前向糾錯字的位25:4——適用于之前的多塊 |
1 | FEC[24] | |
2 | FEC[23] | |
3 | FEC[22] | |
4 | FEC[21] | |
5 | FEC[20] | |
6 | FEC[19] | |
7 | FEC[18] | |
8 | FEC[17] | |
9 | FEC[16] | |
10 | FEC[15] | |
11 | FEC[14] | |
12 | FEC[13] | |
13 | FEC[12] | |
14 | FEC[11] | |
15 | FEC[10] | |
16 | FEC[9] | |
17 | FEC[8] | |
18 | FEC[7] | |
19 | FEC[6] | |
20 | FEC[5] | |
21 | FEC[4] | |
22 | EoEMB | 擴展多塊結束位 |
23 | FEC[3] | 26位前向糾錯字的位3:0——適用于之前的多塊 |
24 | FEC[2] | |
25 | FEC[1] | |
26 | FEC[0] | |
27 | 0 | 多塊結束導頻信號 |
28 | 0 | |
29 | 0 | |
30 | 0 | |
31 | 1 |
64b/66b鏈路操作
當使用64b/66b鏈路層時(shí)，鏈路的建立過(guò)程從同步頭對齊開(kāi)始，然后是擴展多塊同步，最后是擴展多塊對齊。
同步頭對齊
同步頭中的同步轉換位確保在每個(gè)塊邊界（66位）都有一個(gè)數據轉換。JESD204C接收器中的狀態(tài)機檢測到一個(gè)數據轉換，在66位后再查找另一個(gè)轉換。如果狀態(tài)機檢測到64個(gè)連續以66位間隔進(jìn)行的位轉換，則會(huì )實(shí)現同步頭鎖定(SH_lock)。如果沒(méi)有檢測到64個(gè)連續轉換，則重新啟動(dòng)狀態(tài)機。
圖6.JESD204C擴展多塊（通道）對齊。
擴展多塊同步
一旦實(shí)現同步頭對齊，接收器就會(huì )在轉換位中查找擴展多塊結束(EoEMB)序列(100001)。同步字的結構確保此序列只能在適當的時(shí)間發(fā)生。一旦確定EoEMB，狀態(tài)機將檢查每32個(gè)同步字，以確保存在多塊結束導頻信號(00001)。如果E = 1，EoEMB位也會(huì )存在導頻信號。如果E > 1，那么每個(gè)E × 32轉換位，導頻信號都將包含EoEMB位。一旦檢測到四個(gè)連續的有效序列，就可以實(shí)現擴展多塊結束鎖定(EMB_LOCK)。繼續監測每個(gè)E × 32轉換位，如果沒(méi)有檢測到有效的序列并重置對齊過(guò)程，則EMB_LOCK丟失。
擴展多塊（通道）對齊
使用64b/66b鏈路層時(shí)的通道對齊與使用8b/10b鏈路層時(shí)的通道對齊非常相似，每個(gè)通道上的JESD204C接收器都使用一個(gè)彈性緩沖區來(lái)存儲傳入的數據。這被稱(chēng)為擴展多塊對齊，緩沖區開(kāi)始在EoEMB邊界（而不是在使用8b/10b鏈路層時(shí)ILAS期間的/K/至/R/邊界）存儲數據。圖6說(shuō)明了如何實(shí)現通道對齊。每個(gè)通道的接收緩沖區在接收到EoEMB的最后一位之后開(kāi)始緩沖數據（最后一個(gè)接收通道除外）。接收到最后一個(gè)接收通道的EoEMB之后，會(huì )觸發(fā)釋放所有通道的接收緩沖區，所以現在所有通道都是對齊的。
錯誤監測和前向糾錯
JESD204C同步字選項讓用戶(hù)能夠監測或糾正JESD204數據傳輸中可能發(fā)生的錯誤。糾錯會(huì )導致額外的系統延遲。對于大多數應用，使用CRC-12同步字進(jìn)行錯誤監測是可行的，因為它提供了大于1 × 10-15的誤碼率(BER)。
JESD204C發(fā)射器中的CRC-12編碼器接收每個(gè)多塊的加擾數據位，并計算12個(gè)奇偶校驗位。這些奇偶校驗位在隨后的多塊中傳輸到接收器。接收器同樣將從接收到的每個(gè)數據多塊中計算12個(gè)奇偶校驗位，并與同步字中接收到的位進(jìn)行對比。如果所有奇偶校驗位都不匹配，則接收到的數據中至少存在一個(gè)錯誤，可以觸發(fā)錯誤標志。
對于對額外延遲不敏感但對錯誤敏感的應用（例如測試和測量設備），使用FEC可以得到優(yōu)于10 × 10-24的誤碼率。JESD204C發(fā)射器中FEC電路計算多塊中已加擾數據位的FEC奇偶校驗位，并在下一個(gè)多塊的同步頭位流上對這些奇偶校驗位編碼。接收器計算接收位的校驗子，本地生成的奇偶校驗位和接收到的奇偶校驗位之間的差異就在于此。如果校驗子為0，則假定接收到的數據位正確。如果校驗子非0，則可以用它來(lái)確定最可能的錯誤。
FEC奇偶校驗位的計算方法與CRC相似。FEC編碼器接收多塊的2048位加擾數據位，并添加26位奇偶校驗位，以構建一個(gè)縮短的二進(jìn)制循環(huán)碼。該碼的發(fā)生器多項式為：
對于每個(gè)多塊，這個(gè)多項式可以糾正最多9位突發(fā)錯誤。
總結
為了滿(mǎn)足未來(lái)幾年數據密集型應用更快處理數據的需求，JESD204C將多千兆位接口定義為數據轉換器和邏輯器件之間必需的通信通道。高達32 GSPS的通道速率和64b/66b編碼使超高帶寬應用能以最小的開(kāi)銷(xiāo)來(lái)提高系統效率。這些和其他標準改進(jìn)對于5G通信、雷達和電子戰應用都大有裨益。再加上糾錯功能，先進(jìn)的儀器儀表和其他應用都能夠無(wú)錯運行多年。
有關(guān)JESD204及其在A(yíng)DI公司產(chǎn)品中的實(shí)現的更多信息，請訪(fǎng)問(wèn)ADIJESD204串行接口頁(yè)面。有關(guān)ADI高速轉換器的更多信息，請訪(fǎng)問(wèn)我們的RF轉換器頁(yè)面和28 nm RF 數據轉換器頁(yè)面。有關(guān)ADI收發(fā)器產(chǎn)品的更多信息，請訪(fǎng)問(wèn)我們的RadioVerse?頁(yè)面。
作者簡(jiǎn)介
Del Jones是位于美國北卡羅來(lái)納州格林斯博羅的高速轉換器團隊的應用工程師。他自2000年以來(lái)一直為ADI工作，負責支持ADC、DAC和串行接口。加入ADI之前，他曾在電信行業(yè)擔任電路板和FPGA設計工程師。Del畢業(yè)于德克薩斯大學(xué)達拉斯分校，獲電氣工程學(xué)士學(xué)位。聯(lián)系方式：del.jones@analog.com。
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