ESIstream IP–简化确定性数据序列化的设计

　　概述

　　当使用现代宽带数据转换器时，管理产生的高速串行数据流是一个巨大的挑战。ESIstream 是一个开源的串行数据接口协议，成本极低，支持多种 FPGA 架构的简单硬件实现，并占用最小的资源。简单来说，它是 JEDEC 的 JESD204B 子集 1 和 2 标准的开源替代方案。另外， ESIstream 可为用户带来很多好处，这里将讨论其中的一些，包括低复杂度、低链接延迟和实现确定性延迟的简单方案。

　　本文将仅阐述 ESIstream 的架构，因为当前有很多文档已很好地描述了 JESD204B 的标准。然后我们将揭示这两种协议之间的细微区别，并介绍 Teledyne e2v，ESIstream 协议的开发者，已决定发布自己的 ESIstream VHDL IP，以进一步简化用户的使用。

　　串行的历史

　　新千年以来，数据转换器技术和 CMOS 工艺的发展开始到达功能的瓶颈。起初，高速 ADC 和 DAC（fs 》 10 MHz）采用并行数据接口，这意味着在印刷电路板（PCB）上需从每个数据转换器上引出/引入大量的布线（图 1）。随着采样率和输出数据速率的提高，PCB 设计变得越来越有挑战性。而串行化接口，起初使用 LVDS（低压差分型号），最近则使用串行器/解串器（SERDES）接口（时钟嵌入在数据流中），为这种数据传送的挑战提供了一种解决方案，并可简化 PCB 布线，大大推进形状参数的发展。这种接口的简化对链接的两端都有利（图 1）。Serdes 链接进一步简化了 PCB 的设计，因为无需保证数据线长度匹配。

　　然而，经过了很多年，才有了一种串行方案解决了宽带数据转换器带来的所有系统级挑战。实现确定性延迟是同时采样的前提，人们付出了很多努力研究它。下表（表 1）展示了过去 12 年甚至更长时间里 JESD204 标准的发展和开源 ESIstream 的发展。

　　串行数据的一个显著的优点是，当分辨率提高时，器件的封装无需包含额外的数据线，这可以帮助限制引脚数的增加。但是，串行化的缺点是由于引入了编码/解码流程，且通过某些额外的接收路径弹性缓冲器补偿路径之间的对齐度，导致增加了额外的传递延迟。

　　串行化也可帮助管理数据转换器的电源需求，因为它能降低单个器件需要的特定输出驱动器的数目。而且，通过实现差分串行线，可帮助减少复杂系统中产生的电气噪声，以保证良好的动态范围。另外，编码方案也可分散频谱噪声，而且差分信号可降低串扰。

　　事实上，直到现在，早期串行接口依然不能很好地支持多个并行通道的应用，设计师依然会面临板级设计的挑战。

　　如图 3。通过这种方式，它的编码效率高达 87.5%，比 JESD204B（8b/10b 的编码流）略高。不均等位（DB）可在 CLK 位切换使能同步监控时，保持数据链间的 DC 平衡。

　　ESIstream 发射端（Tx）和接收端（Rx）核心的上层框图如图 4 和图 5 所示。

　

　　ESIstream 编码算法被设计成可减少串行接口的物理限制。最重要的是，发射端和接收端之间的链接需要 AC 耦合。考虑到这一点，发射的数据要确保 DC 平衡，否则链接耦合电容可能漂移，导致数据眼图闭合，破坏接收的数据。

　　在接收端，时钟和数据恢复（CDR）模块通常使用 PLL 锁到发射的信号，这样无需使用独立的时钟线。但是，为了使得 CDR 锁定并保持锁定状态，需保证传送的信号经过特定的变换次数。

　　为发送的数据加扰是为了维持 DC 平衡，确保链接保持锁定。ESIstream 的开发者希望限制数字设计的复杂度，于是采用附加的算法最小化错误传递。这种算法基于斐波那契数列，长度为 2 17 -1。此外还应用了 14 位的移位。转换流程输出的有用数据和线性反馈移位寄存器数据（伪随机码）进行异或操作，如图 6。

　　

　　加扰之后，14 位的数据结果被编码成 16 位的数据帧。第一个附加位时钟位，随着每个连续帧切换。第二个附加位不均等位根据不均等计数器（RDC）的当前状态设置。两种 RDC 状态可导致：

　　1. RDC 小于+/-16，不均等位设置为‘0’。

　　2. RDC 大于+/-16，不均等位设置为‘1’，数据反向（按位非运算）。

　　这个操作可满足 Rx PLL 锁定的最小转换次数的要求，并满足链接 DC 平衡的需要。在正常操作下，接收端首先检查不均等位。如果它为高，则在去扰前反向接收的数据。如果它为低，则直接对数据进行去扰操作。

　　对于确定性操作，ESIstream 要求链接同步，即发射端和接收端的数据帧对齐，链接两端的加扰引擎在同样的初始化状态。同步分两步，帧对齐和伪随机位序列（PRBS）初始化。

　　接收端通过使能 SYNC 启动流程。这个脉冲应该持续至少一个帧周期。然后发射端发送一个 32 帧的对齐样式（图 7）。在接收端，这个保留的序列绕过加扰和不均等的处理，使接收端和发射端时序对齐。在对齐帧之后，发射端立刻发送一个 32 帧的 PRBS 数据——包含 14 位的 PRBS 以及时钟和不均等信息。经过正确地处理，接收端 LFSR 由接收端的 PRBS 字初始化。这时链接已同步（图 8）。用户可在接收端通过观察时钟位，连续监控同步状态。如果时钟位在某一帧没有切换，则出现了同步问题，需复位链接重新同步。

　　通过加扰以及时钟位和不均等位的处理，ESIstream 可保证确定的数据传输。