概述

當使用現代寬帶數據轉換器時，管理產生的高速串行數據流是一個巨大的挑戰(zhàn)。ESIstream是一個開源的串行數據接口協(xié)議，成本極低，支持多種FPGA架構的簡單硬件實現，并占用最小的資源。簡單來說，它是JEDEC的JESD204B子集1和2標準的開源替代方案。另外，ESIstream可為用戶帶來很多好處，這里將討論其中的一些，包括低復雜度、低鏈接延遲和實現確定性延遲的簡單方案。

本文將僅闡述ESIstream的架構，因為當前有很多文檔已很好地描述了JESD204B的標準。然后我們將揭示這兩種協(xié)議之間的細微區(qū)別，并介紹Teledyne e2v，ESIstream協(xié)議的開發(fā)者，已決定發(fā)布自己的ESIstream VHDL IP，以進一步簡化用戶的使用。

串行的歷史

新千年以來，數據轉換器技術和CMOS工藝的發(fā)展開始到達功能的瓶頸。起初，高速ADC和DAC(fs>10MHz)采用并行數據接口，這意味著在印刷電路板(PCB)上需從每個數據轉換器上引出/引入大量的布線(圖1)。隨著采樣率和輸出數據速率的提高，PCB設計變得越來越有挑戰(zhàn)性。而串行化接口，起初使用LVDS(低壓差分型號)，最近則使用串行器/解串器(SERDES)接口(時鐘嵌入在數據流中)，為這種數據傳送的挑戰(zhàn)提供了一種解決方案，并可簡化PCB布線，大大推進形狀參數的發(fā)展。這種接口的簡化對鏈接的兩端都有利(圖1)。Serdes鏈接進一步簡化了PCB的設計，因為無需保證數據線長度匹配。

圖1 串行鏈接如何降低互聯負荷

然而，經過了很多年，才有了一種串行方案解決了寬帶數據轉換器帶來的所有系統(tǒng)級挑戰(zhàn)。實現確定性延遲是同時采樣的前提，人們付出了很多努力研究它。下表(表1)展示了過去12年甚至更長時間里JESD204標準的發(fā)展和開源ESIstream的發(fā)展。

串行數據的一個顯著的優(yōu)點是，當分辨率提高時，器件的封裝無需包含額外的數據線，這可以幫助限制引腳數的增加。但是，串行化的缺點是由于引入了編碼/解碼流程，且通過某些額外的接收路徑彈性緩沖器補償路徑之間的對齊度，導致增加了額外的傳遞延遲。

圖2 串行化引入互聯延遲

串行化也可幫助管理數據轉換器的電源需求，因為它能降低單個器件需要的特定輸出驅動器的數目。而且，通過實現差分串行線，可幫助減少復雜系統(tǒng)中產生的電氣噪聲，以保證良好的動態(tài)范圍。另外，編碼方案也可分散頻譜噪聲，而且差分信號可降低串擾。

事實上，直到現在，早期串行接口依然不能很好地支持多個并行通道的應用，設計師依然會面臨板級設計的挑戰(zhàn)。

ESIstream 具體實現

現在讓我們看一下ESIstream的核心要素。ESIstream使用14b/16b的數據編碼算法，低有效位優(yōu)先，支持超過13Gbps的線路速率。它支持12位和14位的轉換器。協(xié)議使用線性回饋移位寄存器加擾技術，為每個數據字加入不均等位和時鐘同步位(2個bit的額外負擔)，如圖3。通過這種方式，它的編碼效率高達87.5%，比JESD204B(8b/10b的編碼流)略高。不均等位(DB)可在CLK位切換使能同步監(jiān)控時，保持數據鏈間的DC平衡。

圖3 ESIstream 基本數據幀

ESIstream發(fā)射端(Tx)和接收端(Rx)核心的上層框圖如圖4和圖5所示。

圖4 ESIstream的Tx路徑

圖5 ESIstream的Rx路徑

ESIstream編碼算法被設計成可減少串行接口的物理限制。最重要的是，發(fā)射端和接收端之間的鏈接需要AC耦合?？紤]到這一點，發(fā)射的數據要確保DC平衡，否則鏈接耦合電容可能漂移，導致數據眼圖閉合，破壞接收的數據。

在接收端，時鐘和數據恢復(CDR)模塊通常使用PLL鎖到發(fā)射的信號，這樣無需使用獨立的時鐘線。但是，為了使得CDR鎖定并保持鎖定狀態(tài)，需保證傳送的信號經過特定的變換次數。為發(fā)送的數據加擾是為了維持DC平衡，確保鏈接保持鎖定。ESIstream的開發(fā)者希望限制數字設計的復雜度，于是采用附加的算法最小化錯誤傳遞。這種算法基于斐波那契數列，長度為217-1。此外還應用了14位的移位。轉換流程輸出的有用數據和線性反饋移位寄存器數據(偽隨機碼)進行異或操作，如圖6。

圖6 通過與LSFR碼異或實現數據加擾

加擾之后，14位的數據結果被編碼成16位的數據幀。第一個附加位時鐘位，隨著每個連續(xù)幀切換。第二個附加位不均等位根據不均等計數器(RDC)的當前狀態(tài)設置。兩種RDC狀態(tài)可導致：

1.RDC小于+/-16，不均等位設置為‘0’。

2.RDC大于+/-16，不均等位設置為‘1’，數據反向(按位非運算)。這個操作可滿足Rx PLL鎖定的最小轉換次數的要求，并滿足鏈接DC平衡的需要。在正常操作下，接收端首先檢查不均等位。如果它為高，則在去擾前反向接收的數據。如果它為低，則直接對數據進行去擾操作。對于確定性操作，ESIstream要求鏈接同步，即發(fā)射端和接收端的數據幀對齊，鏈接兩端的加擾引擎在同樣的初始化狀態(tài)。同步分兩步，幀對齊和偽隨機位序列(PRBS)初始化。

圖7 ESIstream 鏈接同步幀

接收端通過使能SYNC啟動流程。這個脈沖應該持續(xù)至少一個幀周期。然后發(fā)射端發(fā)送一個32幀的對齊樣式(圖7)。在接收端，這個保留的序列繞過加擾和不均等的處理，使接收端和發(fā)射端時序對齊。在對齊幀之后，發(fā)射端立刻發(fā)送一個32幀的PRBS數據——包含14位的PRBS以及時鐘和不均等信息。經過正確地處理，接收端LFSR由接收端的PRBS字初始化。這時鏈接已同步(圖8)。用戶可在接收端通過觀察時鐘位，連續(xù)監(jiān)控同步狀態(tài)。如果時鐘位在某一幀沒有切換，則出現了同步問題，需復位鏈接重新同步。

圖8 ESIstream接收端線路同步序列

通過加擾以及時鐘位和不均等位的處理，ESIstream可保證確定的數據傳輸。