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排序：

JESD204B协议控制器的研究与电路设计

JESD204B协议控制器的研究与电路设计

引用

作者：殷鹏重庆大学

学位级别：博士

近年来,模数转换器(Analog-to-Digital Converter,ADC)的采样率已达到每秒千兆比特,传统的低压差分接口已无法满足如此高速数据的传输需求。此外,随着现场可编程门阵列(Field-Programmable Gate Array,FPGA)数据处理能力的增强,如何将多... 详细信息

近年来,模数转换器(Analog-to-Digital Converter,ADC)的采样率已达到每秒千兆比特,传统的低压差分接口已无法满足如此高速数据的传输需求。此外,随着现场可编程门阵列(Field-Programmable Gate Array,FPGA)数据处理能力的增强,如何将多个ADC转换的高速数据同步传输至FPGA成为一个急需解决的问题。为此,固态技术协会推出一种JESD204B接口技术,该接口技术支持在多个ADC设备与FPGA之间进行千兆比特每秒数据的同步传输。同时,它还有利于印刷电路板的布线,减少管脚的封装,利于集成等。基于以上优点,JESD204B接口技术已逐步取代低压差分接口技术,成为ADC与FPGA之间实现数据高速传输的主流技术。一个典型的JESD204B接口包括协议控制器和高速串行解串器(Serial-Deserializer,Ser Des),其中协议控制器包含数据发送和接收链路,它主要实现数据的编解码、同步传输以及确定性延迟等功能,是协议实现的主体。Ser Des电路主要实现时钟和数据信号的恢复、数据的并串转换及均衡补偿等功能。针对转换器专用高速数据传输接口技术国产化的项目需求,本文设计了一款具有自主知识产权的JESD204B协议控制器。在进行设计时,重点围绕控制器中关键电路的低功耗与小面积的实现而展开,主要研究内容与创新如下:(1)针对逗号检测与字节对齐(Comma Detection and Word Alignment,CDWA)电路功耗较高、硬件资源消耗较多的问题,提出一种基于分步查找结构的CDWA电路设计方案。该方案首先分析了CDWA电路中功耗与面积的主要来源,即逗号检测模块。随后建立了逗号码位宽与电路功耗及面积关系的数学模型,经推导并得出将逗号码位宽截断为6时,CDWA电路的功耗与面积达到一个最优解的结论。基于以上分析,本文提出一种分步查找结构的CDWA电路,该电路分两步完成逗号码的查找,可降低电路的功耗与面积,同时保证查找的精确度。经测试,本文提出的分步查找结构CDWA电路相对于传统结构的电路,在功耗与面积方面的降幅分别达到20%和30.35%。(2)针对串行直流平衡编解码器硬件资源占用量较大、通常只能实现8位数据编码的问题,提出一种基于并行分布式结构的数据编解码电路设计方案。该方案先根据编解码规律对数据分类,再通过逻辑运算的方式实现数据编解码。此外,为实现协议控制器内32位数据的编码,本文采用并行分布式结构,将数据编解码器分为四个并行编解码子单元,每个子单元完成8位数据的编解码,如此可实现协议控制器中数据的编解码。仿真与测试结果表明,本文提出的并行分布式结构数据编解码器满足协议控制器的编码需求,与查找表实现的编解码器相比,该方案在硬件资源占用量方面降低了27.6%。(3)针对传输层需要传输不同位宽数据的问题,提出一种基于二级流水线结构的数据组帧器设计方案。该方案对转换器与数据组帧器之间的关系进行了分析,并推导出不同位宽的输入数据与帧数据之间的映射关系。根据以上分析结果,本文提出一种二级流水线方式实现数据组帧器的设计。通过流水线的方式,在样本数据中添加控制位和尾位,不仅可以提高电路的工作频率,又能实现不同位宽数据的组帧。仿真与测试结果表明,通过配置不同参数,数据组帧器可对不同位宽的输入数据进行组帧操作。(4)针对独立实现数据加扰器和伪随机序列产生器(Pseudo-Random Sequence Generator,PRSG)需要消耗较多硬件资源的问题,提出一种基于线性反馈移位寄存器结构的逻辑共享电路设计方案。该方案推导出数据加扰器与PRSG均是由线性反馈移位寄存器实现的,通过共享寄存器及异或逻辑门,则可产生伪随机序列以及实现对数据加扰的功能。仿真与测试结果表明:相对于单独实现的数据加扰器和PRSG,本文提出的共享电路的硬件资源消耗量降低了20.9%。此外,针对协议控制器内部电路模块较多,不利于测试与验证的问题。本文在协议控制器中增加了内建自测(Bulit-in Self-test,BIST)电路,这有利于电路系统的测试并定位故障。本文设计的协议控制器采用55 nm标准CMOS工艺进行制造,测试结果证明,该协议控制器满足协议规范,且其中的关键电路具有功耗低、面积小等优点。本文设计的协议控制器支撑了国家级微电子预研项目,该项目的专家鉴定结果为国际先进。

关键词： JESD204B 协议控制器逗号检测与字节对齐电路共享电路

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