- 高性能SERDES及其在CPRI接口的應用分析
- 采用高速串行通信技術
- 采用單端的HSTL Class1電平接口
- 把原基站內的基帶單元和射頻單元通過標準化接口
1 引言
隨著數據寬帶網絡的迅猛發展，需要不斷提高系統設備的業務容量。目前的趨勢是采用高速串行通信技術，即采用串行解串器SERDES，把低速的并行數據轉換為高速串行數據連接。SERDES串行接口可在背板或電纜/光纖等不同互聯介質上傳輸高速信號，在提高系統傳輸帶寬的同時，有利于印刷電路板（PCB）布線，并降低系統功耗和噪聲。
TI（德州儀器）推出一系列高性能的通用SERDES，滿足高帶寬、高性能的應用要求，廣泛應用在WI系統、接入設備、傳送網絡、數據通信等通信產品，以及工業控制系統。本文以TLK3132為例，詳細介紹了SERDES工作原理和器件特點，并以WI系統中的CPRI應用需求為例，提供TLK3132的設計方法等。
2 TLK3132工作原理
TLK3132是TI推出的一款通用兩通道串行器／解串器（SERDES），采用90nm工藝，能滿足一些低功耗的應用需求，內部功能模塊如圖1所示。SERDES Core的發送部分用于實現8位、9位或10位寬字的并串轉換，然后通過一根電纜或印刷板(PCB)走線發送出去，而接收部分則將串行數據進行串并轉換為8位、9位或10位寬的并行字。
圖1 TLK3132內部功能框圖
下面詳細介紹了6個功能模塊及其應用特點：并行接口、串行接口、時鐘分布電路、8B/10B編解碼電路、PRBS測試以及相關寄存器訪問控制接口MDIO。
2.1 并行接口
TLK3132器件每個通道并行收發側分別包含8位數據位和兩位靈活的控制位，支持各種通用的并行接口，如千兆以太網的介質無關接口RGMII、GMII、RTBI、TBI，以及RNBI、NBI、REBI、EBI、TBID和NBID等多種工作模式。對于DDR模式而言，既支持位邊沿采樣（采樣時鐘邊沿與數據位翻轉邊沿同步），也可支持位中間采樣（采樣時鐘邊沿處于數據位的中間位置）；對于SDR模式而言，既支持上升沿采樣并行口數據，也支持下降沿采樣數據。由于使用同步時鐘，在布線時時鐘線和數據線必須等長且時鐘線盡量不要分叉，此外通過配置不同的數據采樣邊沿，可以降低系統互連設計的風險，提高系統設計的魯棒性。
TLK3132器件每個通道并行收發側分別包含8位數據位和兩位靈活的控制位，支持各種通用的并行接口，如千兆以太網的介質無關接口RGMII、GMII、RTBI、TBI，以及RNBI、NBI、REBI、EBI、TBID和NBID等多種工作模式。對于DDR模式而言，既支持位邊沿采樣（采樣時鐘邊沿與數據位翻轉邊沿同步），也可支持位中間采樣（采樣時鐘邊沿處于數據位的中間位置）；對于SDR模式而言，既支持上升沿采樣并行口數據，也支持下降沿采樣數據。由于使用同步時鐘，在布線時時鐘線和數據線必須等長且時鐘線盡量不要分叉，此外通過配置不同的數據采樣邊沿，可以降低系統互連設計的風險，提高系統設計的魯棒性。
并行接口采用單端的HSTL Class1電平接口，遵循EIA/JESD8-6標準電氣指標規格，同時支持1.5V或1.8V的電源電壓。為了提高HSTL高速接口的SI性能，TLK3132并行接收側集成了可寄存器配置的匹配電阻，采用戴維南等效電路匹配方式，等效于加一個匹配電阻到VDDQ/2，同時也可關閉內部的阻抗匹配電路，如圖2所示；并行發送側可通過寄存器配置4種不同的邊沿速率。
圖2 并行口等效框圖
2.2 串行接口
TLK3132支持的串行接口速率從600Mbps到3.75Gbps，不同通道可獨立地工作于全速率、半速率以及1/4速率模式。為了補償高速信號傳輸的介電損耗和趨膚效應，TLK3132高速串行接口發送端具有強大的去加重能力，共支持15級調節能力（達到10.87dB補償），同時支持8級的輸出擺幅設置（從125mV到1375mV）；接收端包含有自適應均衡器，最大補償能力得到12dB以上，保證高速串行接口的SI性能。在3.072Gbps速率下可支持50inches的FR4傳輸或30m的電纜傳輸（特性阻抗50歐姆），解決了高速信號在背板側或前基板的設計難題。
圖3是TLK3132高速串行接口的AC耦合框圖，采用CML高速電平接口，發送側內部集成了50歐姆的匹配電阻。接收端支持DC和AC耦合，若采用直流耦合時，共模電壓由發送側決定，匹配電阻直接上拉到VDDT，若采用交流耦合，為得到最優的共模偏置電壓，選擇芯片內部0.8VDDT的偏置電壓。在實際電路設計中，推薦采用交流耦合方式，容易實現不同接口的電平轉換，并可去除共模噪聲，避免外界噪聲對接收端的影響。
圖3 串行接口AC耦合
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2.3 8B/10B編解碼及通道同步
2.3 8B/10B編解碼及通道同步
在串行鏈路通信中，為了實現信號時鐘的恢復，需要避免出現長串0和長串1，同時保持電路上正負電平平衡，能正確地交流耦合避免信號失真，需要傳輸信號中的0和1數量數目相等，因此業界廣泛應用8B/10B編解碼方法：實現8B到10B的映射（圖4），即一個字節（8bits）用10bits來表示，從中挑選出連續0或者1個數不會超過3個，0和1的個數差不大于2 （最多6個’0’或’1’）。
為了實現信號流中0和1的個數相等，在設計編碼時，針對每個原碼設計了兩個編碼，如：十六進制字節0x3B，對應兩個編碼分別為110110 1001（1的個數多于0）和001001 1001（0的個數多于1），在發送過程中不斷統計當前數據流中0和1的個數差，如果0的個數大于1的個數，則發送0X3B字節時取前面一種編碼；反之，則取后面一種編碼，這樣就不斷平衡數據流中0和1的個數，保持串行數據中0和1的數量相同。
圖 4 8B/10B映射
串行通信中，除了有效數據外，還需要一些控制字符傳送某些控制協議。因此，在8B/10編碼中，包含下面兩種信息：
1)D分組，用于傳遞有效業務數據；
2)K分組，用于傳遞控制信息等，如K28.5控制字符10B編碼包含0011111010或1100000101（連續5個’1’或’0’，稱為Comma，千兆以太網使用的8B/10B編碼方案中Comma是唯一的），用于定位串行數據流中每10個bits組的邊界，避免數據流出現錯誤時無法界定每10bit的邊界，導致鏈路中斷。
TLK3132內部兼容了IEEE802.3-2005中關于1000BASE-X物理編碼子層（PCS）技術（注：不支持自協商功能），如CTC FIFO、8B/10B編解碼電路等模塊，同時這些模塊設計時非常靈活，通過MDIO口進行寄存器設置可以使能或關閉。此外，TLK3132通過檢測Comma進行通道同步判斷，內部的狀態機也是參考1000BASE-X規定的鏈路同步和鏈路失步建立機制，因此TLK3132能被廣泛應用在WI、數據網絡、以太網等不同領域。
2.4 時鐘電路
SERDES實現的一個關鍵技術是時鐘的產生和分布，圖5是TLK3132芯片內部的時鐘架構。時鐘配置非常靈活，支持單端或差分參考時鐘輸入，同時包括多個高頻鎖相環電路：
1）高速SERDES Core包含了一個高頻倍頻器（用于產生高速串行數據）和一個基于相位內插的CDR（在接收端用于從串行數據中恢復時鐘）。
2）由于串并模塊里的高頻倍頻器環路帶寬很大，最大可達30MHz左右。故TLK3132內部集成了一顆基于LC振蕩器的抖動濾除鎖相環，環路帶寬通常設置在幾百KHz以內，可以對輸入參考時鐘進行濾除，降低參考時鐘對幾百KHz 以上抖動性能的要求，圖6是TLK3132發送鏈路在抖動濾除器打開和關閉下的環路傳遞函數。此外，抖動濾除器也可對鏈路恢復的時鐘（只可接收CH0通道的恢復時鐘RXBCLK(0)）進行抖動濾除，提高恢復時鐘的信號質量。
3）PLL1、PLL2、PLL3和PLL4作為倍頻器，和前級抖動濾除鎖相環電路配合，分別產生適合的時鐘頻率以滿足系統各個模塊的需求。
圖5 內部時鐘架構
圖6 TLK3132內部鎖相環環路帶寬
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2.5 PRBS測試
2.5 PRBS測試
TLK3132支持PRBS碼的產生和驗證，便于系統定位鏈路故障，提高設備的可維護性。TLK3132內部有兩套PRBS測試方法，一個在SERDES Core內部（通過寄存器0x9011/0x9012配置），該測試一般是只針對生產測試，且控制性能受限，在電路設計中一般不用該功能；另一個是SERDES Core外面（圖1所示），支持
PRBS測試多項式是
，可以通過寄存器配置（0x10）或外部引腳PRBSEN邏輯控制打開或關閉。此外，PRBS驗證時可通過GPO[1:0]管腳監控PRBS測試誤碼情況，也可訪問寄存器0x1D讀取誤碼數（當讀取該寄存器后，將從新開始誤碼計數）。
PRBS測試多項式是，可以通過寄存器配置（0x10）或外部引腳PRBSEN邏輯控制打開或關閉。此外，PRBS驗證時可通過GPO[1:0]管腳監控PRBS測試誤碼情況，也可訪問寄存器0x1D讀取誤碼數（當讀取該寄存器后，將從新開始誤碼計數）。2.6 MDIO接口和寄存器訪問
TLK3132內部寄存器訪問通過MDIO管理接口實現（遵循IEEE 802.3 Clause 22規格），包括管理數據時鐘（MDC）和管理數據輸入輸出（MDIO）。由于Clause 22直接尋址寄存器空間限制，TLK3132增加了一些擴展寄存器，故支持兩種尋址方式：
1） 直接尋址：主要包括與物理層相關的鏈路配置，地址空間分布在0x00~0x1F，PA[0]的高低電平決定對TLK3132的CH0通道或CH1通道進行操作；
2） 間接尋址：TLK3132的一些擴展功能訪問，如內部時鐘配置、I/O性能配置等。地址空間分布在0x9000~0x9900，不同通道的功能有獨立的寄存器進行配置。通過間接地址訪問寄存器，需要先把寄存器地址寫到0x1E地址，然后把相應的控制字寫到0x1F地址或從0x1F地址讀取相應的寄存器值。
3 TLK3132在CPRI接口的應用
為了處理射頻模塊拉遠技術中基帶單元和射頻單元的光纖鏈接，國際上成立兩個標準化組織：一個是CPRI （Common Public Radio Interface），在2003年由華為、愛立信、NEC、西門子和北電發起成立的組織，致力于基帶、射頻接口的標準化；另一個是OBSAI (Open Base Station Architecture Initiative)，由諾基亞、LG電子、三星電子等成立的聯盟。二者都定義了使基帶和射頻分離的標準化接口，也就是將宏基站分為基帶單元BBU和遠端射頻單元RRU兩部分，BBU和RRU之間傳送I/Q數據和控制管理數據，其信號格式就是CPRI或者OBSAI所定義的標準接口。本文以CPRI接口為例，詳解TLK3132在射頻模塊拉遠技術中的應用。
3.1 CPRI接口
CPRI接口在傳輸用戶界面定義了物理層layer1和數據鏈路層layer2兩層協議。在物理層中，將上層接入點的數據進行串并/并串轉換，以及物理層的編解碼（CPRI接口推薦采用8B/10B，遵循IEEE 802.3 2005 Clause36建議）；在數據鏈路層，對上層接入點的I/Q數據、物理層協議數據、網絡協議數據（包括以太網數據、高層數據鏈路協議數據）和廠家自定義的控制信息等進行相應的處理。
目前CPRI有三種建議的鏈路速率，分別是614.4Mbps、1228.8Mbps、2457.6Mbp。在發送側，把I/Q數據、控制協議信息、同步信息等復用為CPRI幀結構信息，經過物理層的8B/10B編碼后，通過光纖長距離傳播（幾公里到幾十公里）；在接收側，CPRI幀信號經過串并轉換后經過8B/10解碼成相應的I/Q數據和控制協議信息，交由上層數據鏈路處理。
CPRI幀分成基本幀單元和超幀單元。基本幀單元的幀頻是3.84MHz，包括16個字（表示為W=0…15，其中W0為控制字，后15個字為I/Q數據），根據不同的鏈路速率，字的長度分別為8bits、16bits（如圖7所示）、32bits。超幀單元是由256個基本幀單元組成，其中，第1個基本幀單元里的控制字寫入K28.5標志作為超幀的同步控制信息，其余的255個基本幀單元里的控制字包含控制和管理字（C&M）、廠商自定義控制字等，并預留一些控制字。
圖7 線速率1228.8Mbps的CPRI基本幀結構
在高速數據鏈路通信中，抖動指標是非常關鍵的，CPRI接口相應推薦了高速串行信號的眼圖和抖動規格。在SERDES發送側，CPRI要求的眼圖模板如圖8所示。
圖8 CPRI接口發送輸出眼圖模板（E.x.LV）
表1 E.6.LV, E.12.LV and E.24.LV發送器AC定時規格（參考資料CPRI Specification V2.0）
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特性
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符號
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范圍
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單位
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注釋
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Min
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Max
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||||
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輸出電壓
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Vo
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-0.40
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2.30
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Volts
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差分輸出電壓
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VDIFFPP
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800
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1600
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mV,p-p
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|
確定性抖動
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JD
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0.17
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UI
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總抖動
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JT
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0.35
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UI
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|
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單位間隔 E.6.LV
|
UI
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1/614.4
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1/614.4
|
ms
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+/- 100 ppm
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單位間隔 E.12.LV
|
UI
|
1/1228.8
|
1/1228.8
|
ms
|
+/- 100 ppm
|
|
單位間隔 E.24.LV
|
UI
|
1/2457.6
|
1/2457.6
|
ms
|
+/- 100 ppm
|
在CPRI接口的實現中，TLK3132完成高性能的串/并、并/串轉換，以及CPRI幀的同步和8B/10B編解碼，即CPRI接口物理層的相關功能實現。
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3.2 應用例子
根據前面關于TLK3132的器件特點分析和CPRI接口介紹，TLK3132可以很好地滿足CPRI接口的應用要求，圖8是TLK3132在CPRI鏈路中的一個典型功能框圖：TLK3132接收來自光電轉換后的高速串行電信號，經串并轉換后，提取相應控制字符和有效字符并進行8B/10B解碼，送給ASIC或FPGA進行CPRI解幀處理；同時，也接收來自ASIC/FPGA的CPRI幀信號，進行相應的8B/10B編碼后送給SERDES Core完成并串轉換。
在該電路中，TLK3132恢復時鐘送給PLL作為參考時鐘，同時其參考時鐘又來自PLL的輸出時鐘。為保證內部CDR可靠工作，TLK3132要求參考時鐘跟輸入高速串行數據的頻偏控制在+/-200PPM以內，因此外圍PLL在失鎖情況下，必須保證本地振蕩器的自由振蕩頻率要足夠穩定，通常建議采用基于壓控晶振的時鐘方案。
圖8 TLK3132在CPRI接口的典型應用
下面例子說明如何通過MDIO設置TLK3132相關寄存器的軟件配置。假設：CH0和CH1通道串行速率分別為1228.8Mbps和2457.6Mbps、并行接口采用SDR接口并工作在NBI模式、使能內部8B/10B編解碼器、差分參考輸入122.888MHz時鐘，內部抖動濾除鎖相環關閉，則在TI的TLK3132評估板上參考軟件配置如下。
START
CLAUSE 22 //選擇CLAUSE 22模式
SETPHYADD(00) //選擇物理地址0
WRITE(00, 8000) //軟件復位芯片，即對所有寄存器進行復位
READ(11, 3590, FFFF) // 驗證MDIO 功能是否正常
WRITE(1E, 9100) //把0x3FF0寫入0x9100寄存器，差分參考輸入作為SERDES Core的參考時鐘
WRITE(1F, 3FF0)
WRITE(1E, 9000) //高頻倍頻器的倍頻系數設為10
WRITE(1F, 1515)
WRITE(1E, 9001) //設置CH0為1/2速—1228.8Mbps、CH1為全速—2457.6Mbps
WRITE(1F, 6060)
WRITE(10, 8400) //并行接收時鐘選擇各自通道的恢復時鐘
WRITE(11, B197) //并口為SDR且工作在NBI模式、上升沿打數據、8B/10B使能
WRITE(1E, 9002) //設置CH0通道接收為交流耦合、自適應均衡
WRITE(1F, 1005)
WRITE(1E, 9004) //設置CH1通道接收為交流耦合、自適應均衡
WRITE(1F, 1005)
WRITE(1E, 900A) //設置CH0通道串行發送端的擺幅為1000mV，去加重為9.52% (0.87dB)
WRITE(1F, 0B21)
WRITE(1E, 900C) //設置CH1通道串行發送端的擺幅為1000mV，去加重為9.52% (0.87dB)
WRITE(1F, 0B21)
WRITE(10, 8C00) //數據通道復位
PAUSE(100) //等待芯片配置生效
WRITE(1E, 901B) //檢查SERDES Core內部鎖相環是否鎖定
READ(1F, 0011, 0011)
STOP
3.3 實驗測試
由于串行口速率高達1228.8Mbps和2457.6Mbps，對PCB的layout提出較大的挑戰。同時TLK3132具有非常優秀的損耗補償能力，可以調整最佳的去加重補償等級，以得到最佳的信號完整性性能。
在3.2節的例子中，反復發送K28.5字節數據，實際測試到的TLK3132發送端眼圖如圖9和圖10（分別對應的串行速率為1228.8Mbps和2457.6Mbps），抖動主要來源于隨機噪聲，眼寬均在0.9UI以上，具有非常優越的抖動性能（通過適當調整去加重能力補償傳輸線FR4的損耗，以提高SI性能）。
圖9 1228.8Mbps發送側眼圖（經5inches FR4走線，調整了最優的去加重補償）
圖10 2457.6Mbps發送側眼圖（經5inches FR4走線，調整了最優去加重補償）
4 總結
TLK3132是一款低功耗、低抖動、低成本、高性能的多速率收發器，靈活的內部模塊配置功能使其廣泛地應用于高速串行通信。
為了降低無線網絡的組網成本和提高覆蓋范圍，射頻拉遠技術廣泛應用在3G網絡建設，可把原基站內的基帶單元和射頻單元通過標準化接口（如CPRI等）進行分離，達到一處機房多處天線配置的網絡布局，以減少運營商對固定機房的投資。作為CPRI接口實現的一個關鍵技術—高速串并/并串收發器，TLK3132提供非常優越的SI性能、標準的8B/10B和通道同步處理、靈活的片內時鐘產生和分布等，完全能滿足高可靠、多速率的CPRI接口標準要求。
