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 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。

　　圖 9 ESIstream 接收器中的幀計數器的位置

　　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 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。

　　圖     9 使用物理層的光纖演示 ESIstream Tx 和 Rx

　　在經過完整的測試和認證后，VHDL 代碼模塊將被放置在網站上，供用戶免費下載。

　　ESIstream 和 JEDEC 對比

　　ESIstream 的系統級優點可簡單概括如下：

　　無需每個器件的 LMFC 時鐘，無需 LMFC 時鐘的對齊操作。

　　當使用單個器件或采用同步鏈同步多個器件時，無需考慮 ESIstream 同步信號的 PCB 線長匹配。

　　無需 SYSREF，因此與 JESD204B 相比，ESIstream 降低了硬件復雜度，實現了確定性操作。

　　ESIstream 系統中的確定的同步行為是通過一種叫做同步訓練的特性（請參考其他文檔）實現的。ESIstream僅需要一次系統的訓練。一旦得到延遲參數，對于給定的設計這些延遲參數將維持不變。這意味著 ESIstream是一種易于量產化的接口。

　　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。