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同步GHz采樣系統——不適合膽小者


時間:2019-12-03

應用領域:采集系統


同步GHz采樣系統——不適合膽小者

   在無線電系統中應用數字波束成形,需要同時采樣天線陣列的低層信號。這需要保存信號到達每個天線節點的空間信息。 雖然這種方案復雜度較高,會帶來額外的功耗,但其也具有一些顯著的優點:

- 高信噪比(SNR)幫助提高無線鏈接容量,從而增加信號范圍

- 使用天線陣列的空間特性避免干擾。因為干擾來自某個特定方向,波束成形算法可使用零位技術消除干擾。

- 高效率、大容量的無線鏈路意味著雷達系統可同時追蹤多個目標,或移動電話網絡可支持多個通話。

   今天,很多應用使用波束成形,或者至少需要同步采樣。但是,在GHz頻率下工作時, IC和板級的信號的傳播時間都非常重要。PCB走線被用于傳輸線,因此需保證信號線長度匹配以保持相位信息。每厘米的線長將增加60到75ps的傳遞時間。將其與6GHz采樣時鐘的166ps時鐘周期相比,可以看出板級的效應會極大影響設計。這解釋了為什么在高速采樣系統中PCB布線是一個關鍵的因素。但是,還有另外一個因素會使設計變得困難,這個因素和時域有關,稱為亞穩態。


同步鏈為ESIstream帶來確定的延遲

   亞穩態描述了數字電路中的一種不確定的狀態,隨著采樣率的提高,它成為了潛在的系統時序問題的一個重要原因。用戶需用同步的方法對抗亞穩態,這正是引入同步鏈的方案的原因。

   用戶需要一種可靠且簡單的同步時序實現方法。在Teledyne e2v,確定性同步圍繞著一對事件驅動的差分電信號建立:同步和同步輸出信號(SYNCTRIG和SYNCO)。這些信號保證目標轉換器的時序系統可被復位,并且所有的數字子系統都被恰當地鎖定到主參考時鐘。另外,這種同步方案可擴展到大系統中的多個ADC。

   這種方案的優點在于非常簡單——它無需額外的時鐘信號,可保證系統生命周期內多個并行通道的同步。一旦設計完成準備生產,可使用一個訓練序列建立正確的系統同步。如果環境條件變化,比如溫度或電壓變化,系統時序參數保持不變。同步鏈提供了一個非常可靠的同步源,這對產品量產是一個巨大的優勢。

   然后,為了實現確定性延遲,在ESIstream鏈路的接收端有一個簡單的計數器和接收彈性緩沖,用于補償傳遞過程的最大線路延遲不確定度。


   FPGA內部的計數器模塊計算SYNCTRIG上升沿事件和“所有線路接收準備好”事件之間的Rx的時鐘數。這些信息和彈性接收緩沖允許整個系統的接收數據對齊。這樣,利用ESIstream的產品帶有的信號鏈功能,將確定性行為擴展到整個使用ESIstream的系統中的方法是可行的。

ESIstream VHDL模塊——發展的目標

   為了使ESIstream更加易于使用,Teledyne e2v的提出者Teledyne e2v在2018年底啟動了一個項目,研發ESIstream Tx和Rx的IP模塊,用于行業內FPGA廠家(包括Xilinx和Intel)提供的通用FPGA。IP將支持不同的運行速度,且適用于包括宇航級在內的不同等級的應用。毋庸置疑,IP的重點在于為Teledyne e2v現有的產品系列提供匹配的性能。為了實現這個固定功能的IP,Teledyne e2v在底層做了很多工作以動態定義可配置的線速率模塊,包含一系列廣泛的數據轉換器采樣頻率,并支持更多可定義的功能。


串行化的未來

   Teledyne e2v未來的開發計劃還包括用于ESIstream物理層的光纖應用。光纖允許轉換器被放置在距離FPGA很遠的地方,而不是基于銅線的接口(PCB走線或同軸電纜)。通過將兩塊Xilinx VC709評估板使用四個SFP (小型可插拔) 光線路連接并運行在6Gsps的速度,證明了上述的特性。

結語

  JESD204B子集1和2里描述的JEDEC數據串行化方法似乎解決了多通道數據轉換器系統的確定性操作的挑戰。這在一定程度上無疑是正確的,但是通常被忽視的是設計師在處理復雜傳輸和規格物理層需求時遇到的眾多挑戰。

   工程師通常認為用于信號處理SoC(FPGA或ASIC)的JESD204B許可證和核心IP可幫助解決大多數設計上的問題。但是,據報道,很多事實和經驗表明,JESD204B引入的多域時鐘復雜度的時序約束,給PCB的設計帶來了很大的麻煩。

   還有另外一個方法。ESIStream。ESIStream是一個開源免費的協議。它與JESD204B的性能等級相同,但能帶來更好的用戶體驗。低復雜度,易于設計,低功耗。現在,隨著用于工業標準FPGA的Rx和Tx的IP模塊和VHDL代碼模塊的發布,大大降低了ESIstream的使用難度。目前IP模塊在開發階段,會支持Teledyne e2v新數據轉換器的規格。另外,用戶可免費下載適用于自己的高速串行項目的VHDL代碼模塊。

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