關(guān)于JESD204B轉(zhuǎn)換器與FPGA匹配的設(shè)計(jì)關(guān)鍵點(diǎn)

　　隨著更多的模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)和數(shù)模轉(zhuǎn)換器(DAC)支持最新的JESD204B串行接口標(biāo)準(zhǔn)，出現(xiàn)了FPGA與這些模擬產(chǎn)品的最佳接口方式問題。FPGA供應(yīng)商多年來一直支持千兆串行/解串(SERDES)收發(fā)器。然而在過去，大多數(shù)ADC和DAC不能通過這些高速串行接口進(jìn)行配置，就是說FPGA與轉(zhuǎn)換器無法與任何常用標(biāo)準(zhǔn)接口，利用高串行-解串(SERDES)帶寬。

　　JESD204B接口針對(duì)支持更高速轉(zhuǎn)換器不斷增長(zhǎng)的帶寬需求而開發(fā)，以填補(bǔ)該空白。作為第三代串行數(shù)據(jù)鏈路標(biāo)準(zhǔn)，JESD204B提供更高的最大通道速率(每通道高達(dá)12.5 Gbps)，支持確定延遲和諧波幀時(shí)鐘。該接口借助兼容開放市場(chǎng)FPGA解決方案且可擴(kuò)展的高性能轉(zhuǎn)換器，可輕松傳輸大量待處理的數(shù)據(jù)。

　　大多數(shù)信號(hào)處理系統(tǒng)首先是通過其模擬或RF頻率、動(dòng)態(tài)范圍和采樣速率進(jìn)行定義，以建立轉(zhuǎn)換器選擇標(biāo)準(zhǔn)。然而，當(dāng)與FPGA匹配進(jìn)行數(shù)據(jù)處理時(shí)，無論如何都不能忽視對(duì)轉(zhuǎn)換器數(shù)字接口的考量。只要了解新型JESD204B接口并牢記一些高級(jí)考量因素，那么為您的FPGA選擇合適的JESD204B轉(zhuǎn)換器其實(shí)并不難。以下是一些關(guān)于JES204B轉(zhuǎn)換器與FPGA匹配的常見問題及解答。重點(diǎn)說明采用這款新型串行接口進(jìn)行轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)時(shí)的關(guān)鍵點(diǎn)。

　　FPGA對(duì)于JESD204B需要多少速度?

　　通常，設(shè)計(jì)人員實(shí)際上是問JESD204B與轉(zhuǎn)換器接口應(yīng)用中FPGA需要支持的收發(fā)器線路速率。收發(fā)器是FGPA中的高速串行接口，其可以發(fā)送或接收數(shù)據(jù)及恢復(fù)內(nèi)嵌時(shí)鐘。收發(fā)器主要作為高速數(shù)據(jù)端口，與功能無關(guān)。但如果在其周圍配置合適的固件，它們可以為許多不同的接口協(xié)議提供

　　數(shù)字支持。例如，F(xiàn)PGA收發(fā)器可以充當(dāng)并行至串行發(fā)射器或串行至并行接收器(圖1)。

　　圖1.例如，F(xiàn)PGA收發(fā)器可以充當(dāng)并行至串行發(fā)射器或串行至并行接收器。

　　對(duì)于JESD204B這樣的高速串行接口，F(xiàn)PGA收發(fā)器可以在系統(tǒng)中以兩種方式發(fā)揮作用。當(dāng)FPGA支持ADC外部數(shù)據(jù)下游采集時(shí)，它是作為串行數(shù)據(jù)接收器。當(dāng)收發(fā)器接收數(shù)據(jù)時(shí)，它將高速串行流轉(zhuǎn)換為并行幀數(shù)據(jù)，在FPGA中進(jìn)一步完成下游處理。將數(shù)據(jù)從串行格式轉(zhuǎn)換到并行格式前，需要用到自適應(yīng)增益控制(AGC)、均衡(EQ)和時(shí)鐘/數(shù)據(jù)恢復(fù)(CDR)功能。

　　當(dāng)FPGA向DAC輸送數(shù)據(jù)時(shí)，它會(huì)執(zhí)行發(fā)射器功能。作為發(fā)射器，它將形成幀數(shù)據(jù)，并通過高速接口串行發(fā)送出去。預(yù)加重功能(后續(xù)會(huì)談到)放大該信號(hào)，以使傳輸數(shù)據(jù)盡可能更完整。

　　通常情況下，系統(tǒng)的模擬采樣速率或更新速率將間接決定JESD204B接口上的FPGA收發(fā)器線路速率。轉(zhuǎn)換器的時(shí)鐘或編碼速率通過鎖相環(huán)(PLL)倍頻來實(shí)現(xiàn)JESD204B位速率。轉(zhuǎn)換器支持的最大線路速率可能不是系統(tǒng)所需，而應(yīng)當(dāng)通過已知的倍頻器進(jìn)行調(diào)節(jié)。

　　圖2顯示了一個(gè)采用250 MSPS編碼時(shí)鐘的單一(M = 1)16位(N' = 16)ADC,它在20倍編碼時(shí)鐘速率(5 Gbps)下通過單一JESD204B通道(L = 1)發(fā)送數(shù)據(jù)。該運(yùn)算包括8位/10位編碼開銷。轉(zhuǎn)換器采用與250 MSPS不同的編碼時(shí)鐘，輸出通道速率會(huì)相應(yīng)地向上或向下調(diào)節(jié)至20倍的當(dāng)前編碼時(shí)鐘速率。

　　圖2.采用250 MSPS編碼時(shí)鐘的單一16位ADC可以通過單一JESD204B通道在5.0 Gbps速率下輸出采樣數(shù)據(jù)。本例中，JESD204B通道速率是編碼時(shí)鐘頻率的20倍。

　　哪些轉(zhuǎn)換器特性可用于延長(zhǎng)系統(tǒng)中的JESD204B鏈路，并仍能保持優(yōu)異的數(shù)據(jù)完整性?

　　JESD204B規(guī)范列出了符合20cm傳輸線路要求的標(biāo)準(zhǔn)。印刷電路板(PCB)走線材料的物理特性對(duì)于信號(hào)在傳輸期間會(huì)遇到何種衰減起主導(dǎo)作用。然而，多數(shù)轉(zhuǎn)換器和FPGA上的有源通道補(bǔ)償技術(shù)有助于提高鏈路性能。

　　轉(zhuǎn)換器或FPGA發(fā)射器輸出可以提高串行數(shù)據(jù)的高帶寬部分，同時(shí)保持低帶寬部分不變。該技術(shù)被稱為預(yù)加重。由于低通信號(hào)衰減首先影響信號(hào)的高帶寬部分(上升和下降時(shí)間)，預(yù)加重有助于提高串行信號(hào)傳輸距離。

　　對(duì)于接收器也一樣，DAC或FPGA可以向輸入信號(hào)提供自動(dòng)增益控制和EQ,以提高傳輸線路末端可見信號(hào)的高頻部分。該技術(shù)通常具有不同的增益和均衡器設(shè)置，以幫助根據(jù)系統(tǒng)需求優(yōu)化數(shù)據(jù)恢復(fù)。除了均衡階段，Xilinx還提供內(nèi)部探測(cè)工具，從而將在FPGA中見到的數(shù)據(jù)眼形象化(圖3)。

　　圖3.在ADC至FPGA的JESD204B傳輸線路中轉(zhuǎn)換器/發(fā)射器的預(yù)加重，放大了信號(hào)的高帶寬部分，同時(shí)接收器/FPGA的均衡可恢復(fù)衰減信號(hào)。Xilinx的內(nèi)部眼掃描工具可對(duì)FPGA中的眼進(jìn)行內(nèi)部探測(cè)。　　針對(duì)轉(zhuǎn)換器還能做些什么處理，以減少發(fā)送給或來自于FPGA的數(shù)據(jù)量?

　　為了減小FPGA的計(jì)算負(fù)擔(dān)，一些轉(zhuǎn)換器供應(yīng)商在整個(gè)轉(zhuǎn)換器解決方案中添加了數(shù)字處理部分。一些信號(hào)處理系統(tǒng)只需使用經(jīng)濾波的信號(hào)帶寬部分。發(fā)射和處理送至或來自FPGA的全帶寬數(shù)據(jù)是一種開銷負(fù)擔(dān)，完全沒有必要。

　　例如，ADC可實(shí)現(xiàn)數(shù)字下變頻(DDC)功能，可以有效地將將每四個(gè)模擬采樣中的第一個(gè)發(fā)送給FPGA.數(shù)字濾波數(shù)據(jù)可在JESD204B接口上使用更低的數(shù)據(jù)速率，并且無需在FPGA上配置DDC時(shí)鐘。

　　相反，DAC插值功能可以允許僅使用1/4數(shù)據(jù)速率，將數(shù)據(jù)從FPGA發(fā)送至DAC,并且使用復(fù)雜算法對(duì)四個(gè)采樣中的其余三個(gè)進(jìn)行數(shù)字插值。DAC插值方式僅可以傳輸數(shù)據(jù)的一個(gè)子集，然后在采用模擬格式輸出前在轉(zhuǎn)換器中完全組裝。

　　我的FPGA需要支持多少SERDES通道/轉(zhuǎn)換器?

　　無論您的鏈路是采用單一轉(zhuǎn)換器還是多個(gè)轉(zhuǎn)換器，轉(zhuǎn)換器接與FPGA接口的JESD204B通道數(shù)與線路速率、轉(zhuǎn)換器采樣速率、數(shù)據(jù)包效率直接相關(guān)。雖然轉(zhuǎn)換器可以提供四條JESD204B通道，但以1/2最大轉(zhuǎn)換器采樣速率運(yùn)行的系統(tǒng)可能僅需使用兩條通道。每個(gè)轉(zhuǎn)換器可依不同的設(shè)計(jì)來實(shí)現(xiàn)不同的JESD204B通道數(shù)、速度和數(shù)據(jù)包?？刹榭崔D(zhuǎn)換器數(shù)據(jù)手冊(cè)，看看什么選項(xiàng)最適合您的應(yīng)用。

　　我能夠?qū)⒍鄠€(gè)轉(zhuǎn)換器與單一FPGA實(shí)現(xiàn)同步嗎?

　　是的，這可以做到，只要FPGA支持的通道數(shù)足以滿足應(yīng)用所需。多ADC系統(tǒng)的主要難點(diǎn)之一是對(duì)齊采樣信號(hào)，這些信號(hào)在從模擬至數(shù)字采樣過程中具有不同的延遲時(shí)間。JESD204B接口對(duì)系統(tǒng)參考信號(hào)(SYSREF)有相應(yīng)規(guī)定。這有助于為系統(tǒng)中的各轉(zhuǎn)換器創(chuàng)立確定的延遲時(shí)間，從而為多

　　轉(zhuǎn)換器同步提供解決方案。由于JESD204B上采用數(shù)據(jù)幀，來自于多個(gè)ADC的數(shù)據(jù)幀就可以在FPGA的后處理步驟中對(duì)齊。這樣就可以校正轉(zhuǎn)換器和FPGA收發(fā)器之間的延遲不匹配。

　　同樣，F(xiàn)PGA在將數(shù)據(jù)發(fā)送至多個(gè)DAC前，可以先將數(shù)據(jù)進(jìn)行幀對(duì)齊。這是考慮到那些需要通過單一或幾個(gè)FPGA來同步多個(gè)轉(zhuǎn)換器的系統(tǒng)。一些轉(zhuǎn)換器供應(yīng)商還在正式技術(shù)規(guī)格外提供額外的同步功能，用于標(biāo)注特定采樣。如果您的系統(tǒng)需要多轉(zhuǎn)換器同步，需盡量減少轉(zhuǎn)換器連接的JESD204B通道數(shù)，并選擇最強(qiáng)性能的FPGA.

　　JESD204B協(xié)議中規(guī)定，需對(duì)齊來自于多個(gè)ADC、具有不同延遲的采樣數(shù)據(jù)從而在FPGA中實(shí)現(xiàn)同步。圖4顯示了來自多個(gè)鏈路的幀數(shù)據(jù)或標(biāo)記的樣本如何針對(duì)同步處理進(jìn)行重對(duì)齊。

　　我的應(yīng)用需要怎樣的FPGA布速來處理數(shù)據(jù)?

　　JESD204B接口采用嵌入式時(shí)鐘來進(jìn)行高速串行數(shù)據(jù)傳輸。然而，F(xiàn)PGA需要更慢的參考時(shí)鐘作為主時(shí)鐘來處理數(shù)據(jù)。FPGA系列和產(chǎn)品的布速?zèng)Q定這一功能?？紤]FPGA需選擇哪種方式處理轉(zhuǎn)換器數(shù)據(jù)相當(dāng)重要。例如，負(fù)責(zé)采集周期性離散數(shù)據(jù)集至存儲(chǔ)器的應(yīng)用，和全速連續(xù)處理并發(fā)送數(shù)據(jù)的應(yīng)用，這兩者可能需要不同的FPGA布速。

　　如何讓JESD204B在FPGA上工作?

　　該問題的另一種表達(dá)可能是“我應(yīng)當(dāng)從FPGA制造商那里獲得JESD204B固件的知識(shí)產(chǎn)權(quán)(IP)還是自己開發(fā)?” Xilinx等FPGA供應(yīng)商均提供用于JESD204、JESD204A和JESD204B接口的自主IP解決方案。這些解決方案可能略有差異，這取決于JESD204的產(chǎn)品換代以及FPGA產(chǎn)品的收發(fā)器速度。

　　確保盡早完成轉(zhuǎn)換器選型，明確您的系統(tǒng)中需要采用的FPGA形式和相關(guān)IP.選型時(shí)應(yīng)當(dāng)考慮使用哪家FPGA供應(yīng)商的產(chǎn)品、使用哪一代JESD204、FPGA的系列和型號(hào)，以及您內(nèi)部實(shí)現(xiàn)IP所需的技術(shù)代碼編寫能力。

　　一些JESD204B轉(zhuǎn)換器可能需要特殊的額外應(yīng)用層，或是圍繞IP的代碼“包裝器”,這基本上是一套獨(dú)有的固件指令。如果是這種情況，轉(zhuǎn)換器供應(yīng)商應(yīng)當(dāng)確認(rèn)并提供應(yīng)用代碼以連接FPGA IP.應(yīng)當(dāng)在數(shù)據(jù)手冊(cè)中列明需要哪些內(nèi)容來支持JESD204B轉(zhuǎn)換器鏈路。一些轉(zhuǎn)換器制造商還開發(fā)了一種在他們的器件和FPGA固件間進(jìn)行徹底驗(yàn)證測(cè)試的電池，以證明產(chǎn)品的穩(wěn)定性。

　　轉(zhuǎn)換器使用具有收發(fā)器“頻率洞”的FPGA時(shí)會(huì)出現(xiàn)問題嗎?

　　一些FPGA產(chǎn)品支持運(yùn)行過程中存在間隙(無法使用已知的頻率范圍)的收發(fā)器。這會(huì)使JESD204B通道頻率規(guī)劃更復(fù)雜一點(diǎn)，但仍在可控范圍內(nèi)。針對(duì)轉(zhuǎn)換器采樣速率和JESD204B通道速率進(jìn)行頻率規(guī)劃是使頻率遠(yuǎn)離收發(fā)器間隙的關(guān)鍵。

　　大多數(shù)轉(zhuǎn)換器系統(tǒng)通常都有固定的采用頻率。需要對(duì)偶然的獨(dú)特應(yīng)用進(jìn)行支持的情況只是少數(shù)。根據(jù)系統(tǒng)轉(zhuǎn)換器的固定采樣速率和之前討論的JESD204B速率倍頻器，系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員可以確定收發(fā)器頻率間隙是否會(huì)對(duì)系統(tǒng)造成問題。

即使發(fā)現(xiàn)期望的通道頻率剛好在間隙范圍內(nèi)，仍需查看轉(zhuǎn)換器數(shù)據(jù)手冊(cè)，看看是否有另一些選項(xiàng)可用來調(diào)整通道速率。例如，可以改變方程中的一些其他變量，如通道數(shù)量或JESD204B采用分辨率信息，來提高或降低頻率曲線，以避開收