【導讀】數字設計人員可能非常熟悉在模數轉換器 (ADC) 和邏輯設備之間路由高速數字線(xiàn)路的挑戰。必須非常小心，以確保高速走線(xiàn)之間有足夠的間距，并確保數字信號不跨越模擬邊界。不良布局將導致數字開(kāi)關(guān)噪聲反饋到 ADC 的模擬輸入中，從而降低整體系統性能。
數字設計人員可能非常熟悉在模數轉換器 (ADC) 和邏輯設備之間路由高速數字線(xiàn)路的挑戰。必須非常小心，以確保高速走線(xiàn)之間有足夠的間距，并確保數字信號不跨越模擬邊界。不良布局將導致數字開(kāi)關(guān)噪聲反饋到 ADC 的模擬輸入中，從而降低整體系統性能。
由于電路板空間非常寶貴，而 FPGA 引腳是一種寶貴的商品，因此串行數據轉換器接口相對于并行接口的優(yōu)勢顯而易見(jiàn)。ADC 中使用的高速數字數據的典型串行通信需要三對傳輸線(xiàn)用于低壓差分信號 (LVDS)，其中一對用于數據本身。
為了準確收集這些數據，需要一個(gè)數據時(shí)鐘。為了建立數據樣本邊界，幀對齊也需要幀時(shí)鐘。對于高速 ADC，對齊數據時(shí)鐘、幀時(shí)鐘和數據通常需要發(fā)送器和接收器中的延遲鎖定環(huán) (DLL) 以正確對齊數據時(shí)鐘。這種對準在千兆赫速度下變得非常困難。終，這種 6 線(xiàn)串行傳輸方法通常不會(huì )在 1.2 GHz 以上完成，從而限制了 ADC 的速度或其分辨率。
8B/10B 編碼初由 IBM 于 1980 年代發(fā)明，消除了對幀時(shí)鐘和數據時(shí)鐘的需要，這使得在 2 GHz以上的頻率下實(shí)現單傳輸線(xiàn)對通信成為可能（圖1 ）。
圖 1：傳統串行與 8B/10B 編碼
8B/10B 編碼的獨特特性允許將數據時(shí)鐘嵌入數據本身，并通過(guò)初始幀同步以 COMMA 字符維護幀。
直到近才制定了規范，定義了標準化數據轉換器編碼接口實(shí)現所需的協(xié)議和電氣特性。JEDEC 規范 JESD204 支持新一代更快、更準確的串行 ADC，例如 Linear Technology 的 LTC2274、16 位、105 Msps ADC。
與典型的 6 線(xiàn)串行傳輸相比的優(yōu)勢
8B/10B 編碼數據對時(shí)鐘恢復電路很友好，因為它具有游程長(cháng)度限制。它還適用于交流耦合，因為它是直流平衡的。8B/10B 編碼涉及將 8 位八位字節轉換為 10 位代碼組。在每個(gè)代碼組中，1 和 0 的數量之差絕不會(huì )超過(guò)兩個(gè)。通過(guò)監測連續代碼組中 1 和 0 的數量，計算出運行差異。
發(fā)送器和接收器使用此差異對數據進(jìn)行編碼和解碼。對于每個(gè)輸入八位字節，有兩個(gè)可能的 10 位輸出代碼。要傳輸的代碼的選擇取決于運行差異，旨在保持 1 和 0 的平均數量相等。8B/10B 編碼的這一特性確保信號的直流偏移為零。
一旦數據被編碼，它就會(huì )被序列化并傳輸，從個(gè)代碼組的零位開(kāi)始。JESD204 規范要求個(gè)代碼組對應于數據的有效字節。第二個(gè)代碼組對應于數據的有效字節。這兩個(gè)代碼組組合在一起構成一幀數據，構成來(lái)自 16 位 ADC 的一個(gè)樣本（圖 2）。
圖 2：使用 8B/10B 編碼的一個(gè)傳輸幀的演變
例如，LTC2274 以 105 Msps 采樣，編碼后產(chǎn)生以 2.1 Gbps 傳輸的串行數據流。在此速度下，8B/10B 編碼及其獨特的特性使得通過(guò) 2 線(xiàn)接口可靠地傳輸串行數據成為可能。
幀同步
盡管可以使用 PLL 從數據流中恢復時(shí)鐘，但接收器仍然需要確定幀邊界的位置。JESD204 標準定義了一個(gè)同步過(guò)程，用于在發(fā)送器和接收器之間建立初始幀對齊。當接收器需要同步時(shí)，它將通過(guò)激活 ADC 的同步輸入來(lái)請求此操作。然后，ADC 將傳輸一系列預定的 8B/10B 控制符號，也稱(chēng)為 COMMA 字符，因此接收器可以識別幀邊界。
JESD204 規范將 K28.5 控制符號指定為用于初始同步的逗號。當 LTC2274 接收到同步請求時(shí)，將發(fā)送一系列 K28.5 COMMA 字符，直到接收器接收到至少四個(gè)有效的 K28.5 代碼組，之后接收器將取消置位同步請求信號。在停用同步請求后，LTC2274 將繼續發(fā)送同步前同步碼，直到幀結束。
在下一幀開(kāi)始時(shí)，LTC2274 將發(fā)送數據字符。這可確保數據始終以相同的方式開(kāi)始，個(gè)代碼 組與有效八位組相關(guān)聯(lián)，第二個(gè)代碼 組與有效八位組相關(guān)聯(lián)（圖 2）。通過(guò)使用這些 COMMA 字符對齊數據，就不再需要幀時(shí)鐘。通過(guò)使用同步和運行長(cháng)度受限的 8B/10B 編碼，可以在不使用位時(shí)鐘或幀時(shí)鐘的情況下進(jìn)行串行傳輸。
使用 8B/10B 編碼的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是它是直流平衡的。這是因為運行差異用于在兩個(gè)交替代碼組上保持相等數量的 1 和 0，因此信號的 DC 平均值在統計上為零。這允許單對傳輸線(xiàn)與變壓器、光耦合器、隔直電容器和其他高通設備一起使用。
加擾
JESD204 規范還概述了一種可選的加擾器，該加擾器可在數據編碼傳輸之前對數據進(jìn)行加擾。這有助于避免高速串行傳輸時(shí)可能出現的不需要的頻譜峰值。通過(guò)加擾數據，編碼的八位字節與數據無(wú)關(guān)，這將消除某些數據相關(guān)信號可能出現的頻譜假象。
使用 1+x 14 +x 15多項式對數據進(jìn)行加擾 。這種偽隨機模式每 2 15 -1 個(gè)周期重復。這種多項式加擾方案的本質(zhì)是它可以與自同步解擾器一起使用。FPGA必須有一個(gè)解擾算法來(lái)解擾8B/10B解碼器之后的數據。這種加擾功能被設計到 LTC2274 中作為一個(gè)選項，可以在某些情況下提高性能。
幀對齊監控
可能需要定期檢查數據的同步。如果接收器以正常方式向發(fā)射器請求同步模式，則將丟失與發(fā)射器發(fā)送同步前同步碼相關(guān)聯(lián)的數據。為防止這種數據丟失，JESD204 規范定義了另一種幀對齊方法，LTC2274 通過(guò)其幀對齊監控 (FAM) 模式提供這種方法。此模式允許檢查同步，而不會(huì )丟失數據，也不會(huì )在 ADC 上斷言同步請求輸入。JESD204 標準定義了兩種幀對齊監控方法（圖 3）。
圖 3：數據再同步的幀對齊監控模式
種幀對齊模式發(fā)生在數據未被加擾時(shí)。當前幀第二碼組與上一幀第二碼組相等時(shí)，當前碼組被K28.7替換。然后接收方負責將 K28.7 八位位組替換為先前樣本中的八位位組（圖 3）。如果第三個(gè)第 2個(gè) 數據八位字節等于前兩個(gè)，則將傳輸實(shí)際的八位字節。這種幀對齊模式高度依賴(lài)于數據，并且不能保證在任何時(shí)間長(cháng)度內發(fā)生。
第二種幀對齊模式發(fā)生在數據八位位組在編碼之前被加擾時(shí)。每當任何幀的第 2個(gè) 代碼組等于 D28.7 時(shí)，它將被 K28.7 替換。然后接收器需要用正確的數據字符 D28.7 替換 K28.7。由于擾碼器的效果是隨機的，因此這種幀對齊方法對數據的依賴(lài)性較小。從統計上講，K28.7 應該在每 256 幀中出現 1 次。
無(wú)論哪種方式，如果在個(gè)八位字節中找到控制字符K28.7，則可以確定存在錯誤 。如果發(fā)生這種情況，接收器可以重新對齊幀或激活同步請求信號以與發(fā)送器重新同步。在不啟動(dòng)同步請求的情況下重新對齊幀時(shí)，K28.7 應始終出現在第二個(gè)代碼組中。如果在任何其他位置找到，則以下代碼組將表示下一幀的個(gè)代碼組的開(kāi)始。此功能允許數據重新同步，而不會(huì )丟失來(lái)自 ADC 的數據。
如果接收到的數據移動(dòng)了一個(gè)或多個(gè)位，這將導致無(wú)效的 8B/10B 代碼組。然后接收器應重新聲明幀同步請求信號，這將導致發(fā)送器發(fā)送 COMMA 字符流。如果數據偏移了整個(gè)代碼組，則可以使用幀對齊監控來(lái)檢測此偏移。整個(gè)代碼組的數據偏移將導致數字信號處理應該能夠檢測到的數據損壞。
性能
使用 8B/10B 編碼進(jìn)行高速串行數據傳輸，ADC 現在可以以更高的采樣率和更高分辨率運行。Linear Technology Corp. 的 LTC2274 是一款 105 Msps、16 位 ADC，它使用 8B/10B 編碼將其 16 位輸出字串行傳輸到接收器，數據輸出速率為 2.1 Gbps（20 個(gè)編碼位，105 Msps） .
JEDEC 串行接口與許多 FPGA 高速接口兼容，包括 Xilinx 的 Rocket IO、Altera 的 Stratix II GX I/O 和 Lattice 的 ECP2M I/O。這些 FPGA 制造商均已提供使用 LTC2274 的參考設計。
這些新型轉換器設計的挑戰之一是在同一芯片上集成高速串行接口的同時(shí)實(shí)現高交流規格。LTC2274 在基帶實(shí)現了 77.6 dBFS（滿(mǎn)量程）的信噪比 (SNR) 性能和 100 dB 的無(wú)雜散動(dòng)態(tài)范圍 (SFDR)（圖 4 ）。
圖 4：LTC2274 128 KPoint FFT，Fin=4.93 MHz，Fs=105 Msps
這些 AC 規范使低電平信號能夠在存在大干擾或阻塞的情況下得到解決，這對于多通道接收器應用尤為重要。80 fsec RMS的超低抖動(dòng) 可對高達 500 MHz 的輸入頻率進(jìn)行欠采樣，同時(shí)保持良好的噪聲性能，使 ADC 能夠在更靠近天線(xiàn)的位置進(jìn)行采樣。
借助 LTC2274，可以生成串行測試模式以促進(jìn)串行接口的測試和驗證誤碼率 (BER)。此功能對于調試接口非常有用，但不是 JEDEC 規范所要求的。
具有串行接口的 LTC2274 等 ADC 非常適用于成本敏感型應用，在這些應用中，FPGA 引腳數占設計成本的主要部分?；窘邮掌骱蛿底诸A失真發(fā)射器等高性能通信設備可以使用 FPGA 上的專(zhuān)用 SerDes 端口顯著(zhù)節省成本，同時(shí)受益于多載波接收器設計的高 SNR 和 SFDR 性能。頻譜分析儀可以通過(guò)隔離數字和模擬電路的能力來(lái)提高整體系統性能。ATE 和醫學(xué)成像等多通道應用將受益于減少的引腳數，從而簡(jiǎn)化布線(xiàn)并節省更多空間。
結論
數據轉換器的 JESD204 標準使高速、高分辨率 ADC 可以通過(guò)一對傳輸線(xiàn)傳輸高速數據。通過(guò)使用游程限制信號恢復數據時(shí)鐘，并使用 COMMA 字符進(jìn)行初始幀同步，減輕了標準串行傳輸的困難。因此，8B/10B 信號的直流偏移為零，可以通過(guò)任何高通器件傳輸，例如隔直流電容器。JESD204 標準還允許通過(guò)幀對齊監控在不丟失數據的情況下進(jìn)行幀對齊。它還提供了一種通過(guò)使用加擾多項式來(lái)減少非諧波雜散的方法。
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