寬帶數據轉換器應用的JESD204B與串行LVDS接口考量

作者簡(jiǎn)介：

George Diniz是ADI公司的產(chǎn)品線(xiàn)經(jīng)理。他領(lǐng)導的開(kāi)發(fā)團隊，負責開(kāi)發(fā)JESD204B接收器和收發(fā)器接口內核，用于集成到高速模數和數模轉換器產(chǎn)品中。他擁有25年半導體行業(yè)工作經(jīng)驗，擔任過(guò)設計工程和產(chǎn)品線(xiàn)管理等各種職務(wù)。在加入ADI之前，George是IBM的一名設計工程師，從事功率PC處理器的自定義SRAM宏、PLL和DLL函數的混合信號設計。他擁有北卡羅來(lái)納州立大學(xué)電氣工程碩士學(xué)位(MSEE)和曼哈頓學(xué)院電氣工程學(xué)士學(xué)位(BSEE)。

引言

開(kāi)發(fā)串行接口業(yè)界標準JESD204A/JESD204B的目的在于解決以高效省錢(qián)的方式互連最新寬帶數據轉換器與其他系統IC的問(wèn)題。其動(dòng)機在于通過(guò)采用可調整高速串行接口，對接口進(jìn)行標準化，降低數據轉換器與其他器件（如現場(chǎng)可編程門(mén)陣列FPGA和系統級芯片SoC）之間的數字輸入/輸出數量。

趨勢顯示最新應用，以及現有應用的升級，正不斷需求采樣頻率和數據分辨率更高的寬帶數據轉換器。向這些寬帶轉換器傳送和獲取數據暴露了一個(gè)非常大的設計問(wèn)題，即現有I/O技術(shù)帶寬的限制導致轉換器產(chǎn)品需要使用的引腳數更多。其結果便是PCB設計隨著(zhù)互連密度的增加而更復雜。其挑戰在于進(jìn)行大量高速數據信號走線(xiàn)的同時(shí)控制電噪聲，以及提供GSPS級別的寬帶數據轉換器采樣頻率的能力、使用更少的互連、簡(jiǎn)化PCB布局難題并實(shí)現更小的尺寸，且不降低整體系統性能。

市場(chǎng)力量繼續施壓，要求給定系統擁有更多特性和功能以及更好的性能，推動(dòng)了對更高數據處理能力的要求。高速模數轉換器和數模轉換器至FPGA接口已成為某些系統OEM廠(chǎng)商滿(mǎn)足下一代大量數據處理需要的限制因素。JESD204B串行接口規范專(zhuān)為解決這一關(guān)鍵數據鏈路的問(wèn)題而建立。圖1顯示使用JESD204A/JESD204B的典型高速轉換器至FPGA互連配置。

圖1 使用JESD204A/JESD204B接口的典型高速轉換器至FGPA互連配置（來(lái)源：Xilinx^?）。

本文余下篇幅將探討推動(dòng)該規范發(fā)展的某些關(guān)鍵的終端系統應用，以及串行低壓差分信號(LVDS)和JESD204B的對比。

1   應用推動(dòng)對JESD204B的需求

1.1 無(wú)線(xiàn)基礎設施收發(fā)器

目前無(wú)線(xiàn)基礎設施收發(fā)器采用LTE等基于OFDM的技術(shù)，這類(lèi)技術(shù)使用部署FPGA或SoC器件的DSP模塊，通過(guò)驅動(dòng)天線(xiàn)陣列元件，單獨為每個(gè)用戶(hù)的手機產(chǎn)生波束。在發(fā)射和接收模式下，每個(gè)陣列元件每秒可能需要在FPGA和數據轉換器之間傳輸數百兆字節的數據。

1.2 軟件定義無(wú)線(xiàn)電

當今的軟件定義無(wú)線(xiàn)電技術(shù)利用先進(jìn)的調制方案，可即時(shí)重配置，并極大地增加了通道帶寬，提供最佳的無(wú)線(xiàn)數據速率。天線(xiàn)路徑中高效、低功耗、低引腳數的FPGA至數據轉換器接口對性能起著(zhù)決定性的作用。軟件定義無(wú)線(xiàn)電架構已與收發(fā)器基礎設施相整合，用于多載波、多模無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )，支持GSM、EDGE、W-CDMA、LTE、CDMA2000、WiMAX和TD-SCDMA。

1.3 醫療成像系統

醫療成像系統包括超聲、計算機斷層掃描(CT)的掃描儀、磁共振成像(MRI)等，這些應用產(chǎn)生很多通道的數據，流經(jīng)數據轉換器至FPGA或DSP。I/O通道數的持續增長(cháng)要求使用內插器匹配FPGA和轉換器的引腳輸出，迫使元件數增加，并使PCB復雜化。這加大了客戶(hù)系統的成本支出以及復雜程度；而這些問(wèn)題可通過(guò)采用更有效的JESD204B接口加以解決。

1.4 雷達和安全通信

目前先進(jìn)雷達接收器的脈沖結構日益復雜，迫使信號帶寬上升至1 GHz或更高。最新的有源電子調整陣列(AESA)雷達系統可能包含上千個(gè)元件。高帶寬SERDES串行接口用于連接陣列元件數據轉換器與FPGA或DSP，處理接收到的數據流，并將處理后產(chǎn)生的數據流發(fā)送出去。

2   串行LVDS與JESD204B的對比

2.1 在串行LVDS和JESD204B接口之間選擇

為了在使用LVDS和多種版本JESD204串行接口規范的轉換器產(chǎn)品間做出最佳選擇，對每種接口的特性和功能進(jìn)行比較會(huì )非常有用。表1以簡(jiǎn)單的表格形式對接口標準進(jìn)行了對比。在SERDES級，LVDS和JESD204之間的顯著(zhù)區別是通道數據速率，JESD204支持的每通道串行鏈路速率是LVDS的三倍以上。當比較諸如多器件同步、確定延遲和諧波時(shí)鐘等高級功能時(shí)，JESD204B是提供這些功能的唯一接口。所有通路和通道對確定延遲敏感、需要寬帶寬多通道轉換器的系統將無(wú)法有效使用LVDS或并行CMOS。

表1 串行LVDS和JESD204規范對比

3   LVDS概述

LVDS是連接數據轉換器與FPGA或DSP的傳統方法。LVDS于1994發(fā)布，目標在于提供比已有的RS-422和RS-485差分傳輸標準更高的帶寬和更低的功耗。隨著(zhù)1995年TIA/EIA-644的發(fā)布，LVDS成為標準。二十世紀90年代末，LVDS的使用率上升，并隨著(zhù)2001年TIA/EIA-644-A的發(fā)布，LVDS標準亦發(fā)布了修訂版。

LVDS采用低電壓擺幅的差分信號，用于高速數據的傳輸。發(fā)射器驅動(dòng)的電流典型值為±3.5 mA，通過(guò)100 Ω電阻發(fā)送極性匹配的邏輯電平，在接收器端產(chǎn)生±350 mV電壓擺幅。電流始終導通，并被路由至不同方向以便產(chǎn)生邏輯1和邏輯0。LVDS始終導通的特性有助于抑制同步開(kāi)關(guān)噪聲尖峰和潛在電磁干擾——在單端技術(shù)中，晶體管的開(kāi)關(guān)動(dòng)作可能產(chǎn)生這些噪聲和干擾。LVDS差分的特征同樣提供了針對共模噪聲源的有效抑制。雖然在理想傳輸介質(zhì)中，該標準預測速率可能超過(guò)1.9 Gbps，但TIA/EIA-644-A標準建議的最大數據速率為655 Mbps。

FPGA或DSP與數據轉換器間數據通道和速度的大幅增長(cháng)——尤其是前文討論的那些應用——使LVDS接口暴露了一些問(wèn)題（見(jiàn)圖2）?，F實(shí)中，差分LVDS線(xiàn)的帶寬限制在1.0 Gbps左右。在目前很多應用中，這一限制導致需要許多高帶寬PCB互連，而每一處都有可能出故障。大量的走線(xiàn)還增加了PCB的復雜性或整體尺寸，導致設計和制造成本上升。在某些帶寬需求量巨大的應用中，數據轉換器接口已成為滿(mǎn)足所需系統性能的制約因素。

圖2 使用并行CMOS或LVDS帶來(lái)的系統設計與互連的挑戰。

4   JESD204B概述

JESD204數據轉換器串行接口標準由JEDEC固態(tài)技術(shù)協(xié)會(huì )JC-16接口技術(shù)委員會(huì )建立，目標是提供速率更高的串行接口、提升帶寬并降低高速數據轉換器和其他器件之間的數字輸入和輸出通道數。該標準的基礎是IBM開(kāi)發(fā)的8b/10b編碼技術(shù)，它無(wú)需幀時(shí)鐘和數據時(shí)鐘，支持以更高的速率進(jìn)行單線(xiàn)對通信。

2006年，JEDEC發(fā)布JESD204規范，使單數據通道上的速率達到3.125 Gbps。JESD204接口是自同步的，因此無(wú)需校準PCB布線(xiàn)長(cháng)度，避免時(shí)鐘偏斜。JESD204依靠許多FPGA提供的SERDES端口，以便釋放通用I/O。

JESD204A于2008年發(fā)布，增加了對多路時(shí)序一致數據通道和通道同步的支持。這種增強使得使用更高帶寬的數據轉換器和多路同步數據轉換器通道成為可能，并且對用于蜂窩基站的無(wú)線(xiàn)基礎設施收發(fā)器尤為重要。JESD204A還提供多器件同步支持，這有利于醫療成像系統等使用大量ADC的應用。

JESD204B是該規范的第三個(gè)修訂版，將最大通道速率提升至12.5 Gbps。JESD204B還增加了對確定延遲的支持，該功能可在接收器和發(fā)射器之間進(jìn)行同步狀態(tài)的通信。JESD204B還支持諧波時(shí)鐘，使得依據確定相位，通過(guò)低速輸入時(shí)鐘獲得高速數據轉換器時(shí)鐘成為可能。

5   結論

JESD204B工業(yè)串行接口標準降低了高速數據轉換器和FPGA以及其他器件之間的數字輸入和輸出通道數。更少的互連可以簡(jiǎn)化布局布線(xiàn)，并讓實(shí)現更小的尺寸設計成為可能（見(jiàn)圖3）。這些優(yōu)勢對很多高速數據轉換器應用非常重要，例如無(wú)線(xiàn)基礎設施收發(fā)器、軟件定義無(wú)線(xiàn)電、醫療成像系統，以及雷達和安全通信。ADI公司是JESD204標準委員會(huì )的創(chuàng )始成員，我們同時(shí)開(kāi)發(fā)出了兼容的數據轉換器技術(shù)和工具，并推出了全面的產(chǎn)品路線(xiàn)圖。通過(guò)為客戶(hù)提供結合了我們先進(jìn)數據轉換器技術(shù)以及集成JESD204A/JESD204B接口的產(chǎn)品，我們有望充分利用這項重大的接口技術(shù)突破，幫助客戶(hù)解決系統設計難題。

圖3 JESD204具有高速串行I/O能力，能夠解決系統PCB復雜性挑戰。

（注：本文來(lái)源于科技期刊《電子產(chǎn)品世界》2021年第1期。）