抓住JESD204B接口功能的關(guān)鍵問題

作者：ADI公司 Anthony Desimone，應(yīng)用工程師；Michael Giancioppo，應(yīng)用工程師

JESD204B是最近批準(zhǔn)的JEDEC標(biāo)準(zhǔn)，用于轉(zhuǎn)換器與數(shù)字處理器件之間的串行數(shù)據(jù)接口。它是第三代標(biāo)準(zhǔn)，解決了先前版本的一些缺陷。該接口的優(yōu)勢(shì)包括：數(shù)據(jù)接口路由所需電路板空間更少，建立與保持時(shí)序要求更低，以及轉(zhuǎn)換器和邏輯器件的封裝更小。多家供應(yīng)商的新型模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換器采用此接口，例如ADI公司的 AD9250 。

與現(xiàn)有接口格式和協(xié)議相比，JESD204B接口更復(fù)雜、更微妙，必須克服一些困難才能實(shí)現(xiàn)其優(yōu)勢(shì)。像任何其他標(biāo)準(zhǔn)一樣，要使該接口比單倍數(shù)據(jù)速率或雙倍數(shù)據(jù)速率CMOS/LVDS等常用接口更受歡迎，它必須能無縫地工作。雖然JESD204B標(biāo)準(zhǔn)由JEDEC制定，但某些特定信息仍需要闡明，或者可能散布于多個(gè)參考文獻(xiàn)中。另外，如果有一個(gè)簡(jiǎn)明的指南能概要說明該標(biāo)準(zhǔn)、工作原理以及如何排除故障，無疑對(duì)使用者將極為有幫助。

本文闡釋JESD204B標(biāo)準(zhǔn)的ADC與FPGA的接口，如何判斷其是否正常工作，以及可能更重要的是，如何在有問題時(shí)排除故障。文中討論的故障排除技術(shù)可以采用常用的測(cè)試與測(cè)量設(shè)備，包括示波器和邏輯分析儀，以及Xilinx?的ChipScope或Altera?的SignalTap等軟件工具。同時(shí)闡明了接口信號(hào)傳輸，以便能夠利用一種或多種方法實(shí)現(xiàn)信號(hào)傳輸?shù)目梢暬?/p>

JESD204B概述

JESD204B標(biāo)準(zhǔn)提供一種將一個(gè)或多個(gè)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器與數(shù)字信號(hào)處理器件接口的方法（通常是ADC或DAC與FPGA接口），相比于通常的并行數(shù)據(jù)傳輸，這是一種更高速度的串行接口。該接口速度高達(dá)12.5 Gbps/通道，使用幀串行數(shù)據(jù)鏈路及嵌入式時(shí)鐘和對(duì)齊字符。它減少了器件之間的走線數(shù)量，降低了走線匹配要求，并消除了建立與保持時(shí)序約束問題，從而簡(jiǎn)化了高速轉(zhuǎn)換器數(shù)據(jù)接口的實(shí)施。由于鏈路需要在數(shù)據(jù)傳輸之前建立，因此存在新的挑戰(zhàn)，必須采用新的技術(shù)來確定接口是否正常工作，以及在接口故障時(shí)怎么辦。

JESD204B接口通過三個(gè)階段來建立同步鏈路：代碼組同步（CGS）、初始通道同步（ILAS）和數(shù)據(jù)傳輸階段。鏈路需要以下信號(hào)：共享參考時(shí)鐘（器件時(shí)鐘），至少一個(gè)差分CML物理數(shù)據(jù)電連接（稱為“通道”），以及至少一個(gè)其他同步信號(hào)（SYNC~和可能的SYSREF）。使用哪些信號(hào)取決于子類：

• 子類0使用器件時(shí)鐘、通道和SYNC~。
• 子類1使用器件時(shí)鐘、通道、SYNC~和SYSREF；
• 子類2使用器件時(shí)鐘、通道和SYNC~。

子類0在許多情況下足以滿足需求，因而是本文的重點(diǎn)。子類1和子類2提供了建立確定性延遲的方法，這在需要同步多個(gè)器件或需要系統(tǒng)同步或固定延遲的應(yīng)用中非常重要，例如一個(gè)系統(tǒng)的某個(gè)事件需要已知的采樣沿，或者某個(gè)事件必須在規(guī)定時(shí)間內(nèi)響應(yīng)輸入信號(hào)。

圖1顯示了從發(fā)射器件（ADC）到接收器件（FPGA）的簡(jiǎn)化JESD204B鏈路，數(shù)據(jù)從一個(gè)ADC經(jīng)由一個(gè)通道傳輸。

雖然JESD204B規(guī)范有許多變量，但某些變量對(duì)于鏈路的建立特別重要。這些關(guān)鍵變量如下所示（注：這些值通常表示為“X ? 1”）：

• M：轉(zhuǎn)換器數(shù)。
• L：物理通道數(shù)。
• F：每幀的8位字節(jié)數(shù)。
• K：每個(gè)多幀的幀數(shù)。

uN和N’：分別表示轉(zhuǎn)換器分辨率和每個(gè)樣本使用的位數(shù)（4的倍數(shù)）。N’的值等于N值加上控制和填充數(shù)據(jù)位數(shù)。

子類0：同步步驟

如上所述，許多應(yīng)用可以采用相對(duì)簡(jiǎn)單的子類0工作模式，這也是建立和驗(yàn)證鏈路的最簡(jiǎn)單模式。子類0通過三個(gè)階段來建立和監(jiān)控同步：CGS階段、ILAS階段和數(shù)據(jù)階段。各階段相關(guān)的圖表以不同格式顯示數(shù)據(jù)，可以在示波器、邏輯分析儀或FPGA虛擬I/O分析儀（如Xilinx ChipScope或Altera SignalTap）上觀察到這些數(shù)據(jù)。

代碼組同步（CGS）階段

可以在鏈路上觀察到的CGS階段最重要部分如圖2所示，圖中5個(gè)突出顯示的點(diǎn)說明如下。

• 接收器通過拉低SYNC~引腳，發(fā)出一個(gè)同步請(qǐng)求。
• 收發(fā)器從下一個(gè)符號(hào)開始，發(fā)送未加擾的/K28.5/符號(hào)（每個(gè)符號(hào)10位）。
• 當(dāng)接收器收到至少4個(gè)無錯(cuò)誤的連續(xù)/K28.5/符號(hào)時(shí)同步，然后將SYNC~引腳拉高。
• 接收器必須接收到至少4個(gè)無錯(cuò)誤8B/10B字符，否則同步將失敗，鏈路留在CGS階段。
• CGS階段結(jié)束，ILAS階段開始。

/K28.5/字符在JESD204B標(biāo)準(zhǔn)中也稱為/K/，如圖3所示。標(biāo)準(zhǔn)要求直流平衡。利用8B/10B編碼，可以實(shí)現(xiàn)平均而言包含等量1和0的平衡序列。每個(gè)8B10B字符可能具有正（1較多）或負(fù)（0較多）偏差，當(dāng)前字符的奇偶性由先前發(fā)送的字符的極性偏差決定，這通常是通過交替發(fā)送正奇偶性字與負(fù)奇偶性字來實(shí)現(xiàn)。圖中顯示了/K28.5/符號(hào)的兩種極性。

圖1.JESD204B鏈路圖：一個(gè)ADC通過一個(gè)通道與FPGA接口

圖2.JESD204B子類0鏈路信號(hào)在CGS階段的邏輯輸出（假設(shè)有兩個(gè)通道，一個(gè)器件含兩個(gè)ADC）

圖3.K28.5字符的邏輯輸出以及它如何通過JESD204B Tx信號(hào)路徑傳播

重點(diǎn)注意以下幾點(diǎn)：

• 串行值表示通過通道傳輸?shù)?0位的邏輯電平，可通過測(cè)量物理接口的示波器看到。
• 8B/10B值表示通過通道傳輸?shù)倪壿嬛担?0位），可通過測(cè)量物理接口的邏輯分析儀看到。
• 數(shù)據(jù)值和數(shù)據(jù)邏輯表示8B/10B編碼前JESD204B收發(fā)器模塊內(nèi)符號(hào)的邏輯電平，可通過Xilinx ChipScope或Altera SignalTap等FPGA邏輯分析工具看到。
• 符號(hào)表示要發(fā)送的字符的十六進(jìn)制值，注意PHY層的奇偶性。
• 字符表示JEDEC規(guī)范中所指的JESD204B字符。

ILAS階段

ILAS階段有4個(gè)多幀，允許接收器對(duì)齊來自所有鏈路的通道，以及驗(yàn)證鏈路參數(shù)。為了調(diào)和不同長(zhǎng)度的走線以及接收器導(dǎo)致的字符偏斜，通道必須對(duì)齊。4個(gè)多幀緊緊相連（圖4）。無論啟用加擾鏈路參數(shù)與否，ILAS始終是無加擾傳輸。

SYNC信號(hào)從低電平變?yōu)楦唠娖胶?，便進(jìn)入ILAS階段。發(fā)送模塊內(nèi)部跟蹤到（ADC內(nèi)部）一個(gè)完整多幀后，便開始發(fā)送4個(gè)多幀。在所需的字符中插入填充數(shù)據(jù)，以便傳送完整的多幀（圖4）。4個(gè)多幀包括：

• 多幀1：以/R/字符［K28.0］開始，以/A/字符［K28.3］結(jié)束。
• 多幀2：以/R/字符開始，后接/Q/ ［K28.4］字符，然后是14個(gè)配置8位字的鏈路配置參數(shù)（表1），最后以/A/字符結(jié)束。
• 多幀3：與多幀1相同。
• 多幀4：與多幀1相同。
• 幀長(zhǎng)度可以利用JESD204B參數(shù)計(jì)算：

（S） ×（1/采樣速率）。

含義：

（樣本數(shù)/轉(zhuǎn)換器/幀）×（1/樣本速率）

示例：

采樣速率為250 MSPS、每幀每轉(zhuǎn)換器一個(gè)樣本的轉(zhuǎn)換器（注：在本例中“S”為0，因?yàn)樗痪幋a為二進(jìn)制值-1），其幀長(zhǎng)度為4 ns。

（1）

多幀長(zhǎng)度可以利用JESD204B參數(shù)計(jì)算：

（2）

含義：

（樣本數(shù)/轉(zhuǎn)換器/幀）×（幀數(shù)/多幀）×（1/采樣速率）

示例：

采樣速率為250 MSPS、每幀每轉(zhuǎn)換器一個(gè)樣本、每多幀有32幀的轉(zhuǎn)換器，其多幀長(zhǎng)度為128 ns。

（3）

數(shù)據(jù)階段（使能字符替換）

在數(shù)據(jù)傳輸階段，通過控制字符監(jiān)控幀對(duì)齊。在幀的結(jié)尾處執(zhí)行字符替換。在數(shù)據(jù)階段，數(shù)據(jù)或幀對(duì)齊不會(huì)造成額外開銷。字符替換允許在幀邊界處發(fā)送對(duì)齊字符，唯一條件是當(dāng)前幀的最后一個(gè)字符可以替換為上一幀的最后一個(gè)字符。這有利于（間或）確認(rèn)自ILAS序列后，對(duì)齊未改變。

出現(xiàn)下列情況時(shí)，會(huì)對(duì)發(fā)送器執(zhí)行字符替換：

• 若禁用了加擾，幀或多幀的最后一個(gè)8位字等于上一幀的8位字。
• 若使能了加擾，多幀的最后一個(gè)8位字等于0x7C，或幀的最后一個(gè)8位字等于0xFC。

發(fā)射器和接收器各自保持一個(gè)本地多幀計(jì)數(shù)器（LMFC），它持續(xù)計(jì)數(shù)到（F × K） ? 1，然后繞回到“0”重新開始計(jì)數(shù)（忽略內(nèi)部字寬）。向所有發(fā)送器和接收器發(fā)送一個(gè)公共（源）SYSREF，這些器件利用SYSREF復(fù)位其LMFC，這樣所有LMFC應(yīng)互相同步（在一個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)）。

釋放SYNC（所有器件都會(huì)看到）后，發(fā)送器在下一次（Tx） LMFC繞回0時(shí)開始ILAS。如果F × K設(shè)置適當(dāng)，大于（發(fā)送器編碼時(shí)間）+（線路傳播時(shí)間）+（接收器解碼時(shí)間），則接收數(shù)據(jù)將在下一個(gè)LMFC之前從接收器的SERDES傳播出去。接收器將把數(shù)據(jù)送入FIFO，然后在下一個(gè)（Rx） LMFC邊界開始輸出數(shù)據(jù)。發(fā)射器的SERDES輸入和接收器FIFO輸出之間的這種已知關(guān)系稱為確定性延遲。

圖4.JESD204B 子類0鏈路信號(hào)在ILAS階段的邏輯輸出

圖5./K/字符［K28.5］、/R/字符［K28.0］、/A/字符［K28.3］和/Q/字符［K28.4］圖

表1.ILAS多幀2的CONFIG表（14個(gè)JESD204B配置參數(shù)8位字）

哪些方面會(huì)出錯(cuò)？

JESD204B可以說是一個(gè)復(fù)雜的接口標(biāo)準(zhǔn)，操作上有許多微妙之處。要找出不能正常工作的原因，需要對(duì)可能的情形有良好的了解：

陷入CGS模式：如果SYNC保持邏輯低電平；或者脈沖高電平持續(xù)時(shí)間少于4個(gè)多幀：

檢查電路板，不上電：

• SYSREF和SYNC~信號(hào)應(yīng)直流耦合。
• 在電路板未上電的情況下，檢查從SYNC~源（通常來自FPGA或DAC）到SYNC~輸入（通常是ADC或FPGA）的電路板SYNC~連接是否良好且具有低阻抗。
• 確保下拉或上拉電阻不是信號(hào)傳輸?shù)闹鲗?dǎo)因素，例如：值太小或短路就會(huì)導(dǎo)致無法正確驅(qū)動(dòng)。
• 確認(rèn)JESD204B鏈路的差分對(duì)走線（及電纜，若使用）匹配。
• 確認(rèn)走線的差分阻抗為100 Ω。

檢查電路板，上電：

• 如果SYNC路徑中有一個(gè)緩沖器/轉(zhuǎn)換器，確保它正常工作。
• 確認(rèn)SYNC~源和板上電路（SYNC+和SYNC-，若為差分）配置正確，產(chǎn)生符合SYNC~接收器件要求的邏輯電平。如果邏輯電平不兼容，應(yīng)檢查源和接收配置以找出問題，否則，請(qǐng)咨詢器件制造商。
• 確認(rèn)JESD204B串行發(fā)送器和板電路配置正確，產(chǎn)生符合JESD204B串行數(shù)據(jù)接收器要求的正確邏輯電平。如果邏輯電平不兼容，應(yīng)檢查電路的來源和接收配置以找出問題。否則，請(qǐng)咨詢器件制造商。

檢查SYNC~信號(hào)：

• 如果SYNC~為靜態(tài)邏輯電平，鏈路將停留在CGS階段?？赡苁撬l(fā)送的數(shù)據(jù)有問題，或者JESD204B接收器未對(duì)樣本進(jìn)行正確解碼。確認(rèn)發(fā)送的是/K/字符，確認(rèn)接收配置設(shè)置，確認(rèn)SYNC~源，檢查板電路，考慮過驅(qū)SYNC~信號(hào)并強(qiáng)迫鏈路進(jìn)入ILAS模式，從而找出鏈路接收器和收發(fā)器問題。否則，請(qǐng)咨詢器件制造商。
• 如果SYNC~為靜態(tài)邏輯高電平，確認(rèn)源器件是否正確配置了SYNC~邏輯電平。檢查上拉和下拉電阻。
• 如果SYNC~脈沖變?yōu)楦唠娖?，然后返回邏輯低電平狀態(tài)且持續(xù)時(shí)間少于6個(gè)多幀周期，則JESD204B鏈路會(huì)從CGS階段前進(jìn)到ILAS階段，但會(huì)停留在后一階段。這可能意味著/K/字符正確，CDR的基本功能正常。請(qǐng)參閱“ILAS故障排除”部分。
• 如果SYNC~變?yōu)楦唠娖角页掷m(xù)時(shí)間大于6個(gè)多幀周期，則鏈路會(huì)從ILAS階段前進(jìn)到數(shù)據(jù)階段，但會(huì)在后一階段發(fā)生故障；相關(guān)故障排除提示請(qǐng)參閱“數(shù)據(jù)階段”部分。

檢查串行數(shù)據(jù)

• 確認(rèn)收發(fā)器的數(shù)據(jù)速度和接收器的預(yù)期速率是否相同。
• 用高阻抗探頭（如果可能，使用差分探頭）測(cè)量通道；如果字符看起來錯(cuò)誤，確保通道差分走線匹配，PCB上的返回路徑未中斷，并且器件正確焊接到PCA上。與ILAS和數(shù)據(jù)階段的（看似）隨機(jī)字符不同，CGS字符很容易在示波器上識(shí)別（如果使用速度足夠高的示波器）。
• 用高阻抗探頭驗(yàn)證/K/字符。

■如果/K/字符正確，則表示鏈路的收發(fā)器端工作正常。

■如果/K/字符不正確，則表示收發(fā)器器件或電路板通道信號(hào)有問題。

• 若是直流耦合，確認(rèn)發(fā)送器和接收器共模電壓在器件的要求范圍內(nèi)。

■根據(jù)實(shí)施情況，發(fā)射器共模電壓范圍可能為490 mV至1135 mV。

■根據(jù)實(shí)施情況，接收器共模電壓范圍可能為490 mV至1300 mV。

• 確認(rèn)數(shù)據(jù)通道上的發(fā)射器CML差分電壓（注意，CML差分電壓等于信號(hào)各側(cè)電壓擺幅的兩倍）。

■對(duì)于3.125 Gbps及以下的速度，發(fā)射器CML差分電壓范圍為0.5 V p-p至1.0 V p-p。

■對(duì)于6.374 Gbps及以下的速度，發(fā)射器CML差分電壓范圍為0.4 V p-p至0.75 V p-p。

■對(duì)于12.5 Gbps及以下的速度，發(fā)射器CML差分電壓范圍為0.360 V p-p至0.770 V p-p。

• 確認(rèn)數(shù)據(jù)通道上的接收器CML差分電壓（注意，CML差分電壓等于信號(hào)各側(cè)電壓擺幅的兩倍）。

■對(duì)于3.125 Gbps及以下的速度，接收器CML差分電壓范圍為0.175 V p-p至1.0 V p-p。

■對(duì)于6.374 Gbps及以下的速度，接收器CML差分電壓范圍為0.125 V p-p至0.75 V p-p。

■對(duì)于12.5 Gbps及以下的速度，接收器CML差分電壓范圍為0.110 V p-p至1.05 V p-p。

• 如果存在預(yù)加重選項(xiàng)，應(yīng)啟用該選項(xiàng)并觀察數(shù)據(jù)路徑上的數(shù)據(jù)信號(hào)。
• 確認(rèn)發(fā)射器與接收器的M和L值一致，否則數(shù)據(jù)速率可能不匹配。例如，M=2且L=2這種情況的預(yù)期串行接口數(shù)據(jù)速率是M=2且L=1這種情況的一半。
• 確保進(jìn)入發(fā)射器和接收器的器件時(shí)鐘已鎖相且頻率正確。

如果SYNC變?yōu)楦唠娖角页掷m(xù)約4個(gè)多幀，則停留在ILAS模式：

• 鏈路參數(shù)沖突

■確認(rèn)鏈路參數(shù)未偏移1（許多參數(shù)規(guī)定為值減1）。

■確認(rèn)ILAS多幀傳送正確，確認(rèn)收發(fā)器件、接收器件和ILAS第二多幀傳送的鏈路參數(shù)正確。

■計(jì)算預(yù)期ILAS長(zhǎng)度（tframe， tmultiframe， 4 × tmultiframe），確認(rèn)ILAS已嘗試大約4個(gè)多幀。

• 確認(rèn)所有通道工作正常。確保不存在多通道/多鏈路沖突。

進(jìn)入數(shù)據(jù)階段但鏈路偶爾會(huì)復(fù)位（先返回CGS和ILAS階段，再進(jìn)入數(shù)據(jù)階段）：

• 周期性或帶隙周期性SYSREF或SYNC~信號(hào)的建立和保持時(shí)間無效。
• 鏈路參數(shù)沖突。
• 字符替換沖突。
• 加擾問題（如果啟用）。
• 通道數(shù)據(jù)損壞、噪聲或抖動(dòng)可能迫使眼圖閉合。
• 雜散時(shí)鐘或器件時(shí)鐘的抖動(dòng)過大

關(guān)于排除鏈路故障的其他一般提示：

• 以允許的最低速度運(yùn)行轉(zhuǎn)換器和鏈路，這樣就可以使用較容易獲得的低帶寬測(cè)量?jī)x器。
• 設(shè)置允許的最少M(fèi)、L、K、S組合
• 可能時(shí)使用測(cè)試模式
• 使用子類0來排除故障
• 排除故障時(shí)禁用加擾

本故障排除指南并未窮盡所有可能，但為使用JESD204B鏈路以及希望了解更多信息的工程師提供了一個(gè)很好的基本框架。

以上是JESD204B規(guī)范的概述，并提供了鏈路相關(guān)的實(shí)用信息。希望涉及到這一最新高性能接口標(biāo)準(zhǔn)的工程師能從中獲益，并對(duì)排除故障有所幫助。

作者簡(jiǎn)介

Anthony Desimone是ADI公司高速轉(zhuǎn)換器部門的應(yīng)用工程師。他擁有馬薩諸塞大學(xué)洛厄爾分校電氣工程學(xué)士學(xué)位和塔夫斯大學(xué)電氣工程碩士學(xué)位。

Michael Giancioppo是ADI公司應(yīng)用技術(shù)部門的應(yīng)用工程師。他于1981年獲得馬薩諸塞大學(xué)安姆斯特分校電氣工程學(xué)士學(xué)位/計(jì)算機(jī)系統(tǒng)工程學(xué)位。