鐘 文，顧 軍，胡瑾賢，李春來

(中國船舶重工集團(tuán)公司第七二三研究所，江蘇 揚(yáng)州 225101)

0 引 言

多通道數(shù)據(jù)同步傳輸是大帶寬電子戰(zhàn)數(shù)字波束合成系統(tǒng)研發(fā)的關(guān)鍵之一。下行采樣通道輸出延遲和數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)中傳輸延遲的確定性設(shè)計(jì)是保持下行數(shù)據(jù)同步采集、相位差保持穩(wěn)定的核心技術(shù)[1]。2011年JEDEC針對(duì)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器與邏輯器件之間的JESD204協(xié)議B版本，此版本將串行鏈路數(shù)據(jù)率提高到12.5 Gbps，并且使其能夠滿足確定性傳輸延遲的需求。在JESD204B中引入了3個(gè)子類[2]。子類0向后兼容JESD204 A標(biāo)準(zhǔn)；子類1引入外部同步參考信號(hào)SYSREF，實(shí)現(xiàn)確定性延遲；子類2將同頻觸發(fā)信號(hào)SYNC～作為系統(tǒng)的時(shí)序基準(zhǔn)。目前JESD204B協(xié)議多用于邏輯器件與轉(zhuǎn)換器之間的數(shù)據(jù)同步，本文將協(xié)議的子類1引入現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列(FPGA)間的多通道數(shù)據(jù)同步傳輸中，通過與傳統(tǒng)數(shù)據(jù)同步傳輸方案做對(duì)比，詳細(xì)分析同步設(shè)計(jì)的關(guān)鍵要點(diǎn)，并對(duì)SYNC信號(hào)的傳輸進(jìn)行改進(jìn)，節(jié)約系統(tǒng)走線資源，提高FPGA收發(fā)器利用率，最后給出驗(yàn)證結(jié)果。

1 片間JESD204B協(xié)議的優(yōu)勢(shì)

對(duì)于電子戰(zhàn)數(shù)字波束合成系統(tǒng)而言，數(shù)據(jù)量龐大，所以片間數(shù)據(jù)一般采用Aurora協(xié)議或基于高速串行收發(fā)器的自定義協(xié)議完成。以Aurora協(xié)議為例，典型的片間傳輸框圖如圖1所示。此類傳輸方案存在2個(gè)不可避免的缺點(diǎn)。算法模塊(例如數(shù)字波束合成)工作在時(shí)鐘域CLK_A，該時(shí)鐘域一般與模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)的接收時(shí)鐘域同源，但是Aurora協(xié)議工作在時(shí)鐘域CLK_B，該時(shí)鐘域一般由協(xié)議的編碼類型和線速率決定。這造成了算法模塊與Aurora協(xié)議間需要采用異步先進(jìn)先出(FIFO)去進(jìn)行時(shí)鐘域的劃分，異步FIFO帶來的結(jié)果就是每次FPGA上電后傳輸延遲的不確定以及群延時(shí)的增加。

圖1 典型片間傳輸系統(tǒng)

JESD204B協(xié)議的引入可以同時(shí)解決上述2個(gè)問題。首先JESD204B協(xié)議具有提供傳輸鏈路確定性延遲的功能，其次它延遲相對(duì)較低。結(jié)合ADC與FPGA間JESD204B協(xié)議的運(yùn)用，能夠使得ADC采樣的時(shí)鐘域、算法模塊時(shí)鐘域、數(shù)據(jù)傳輸模塊時(shí)鐘域完成同源與統(tǒng)一，簡(jiǎn)化了FPGA的時(shí)鐘域劃分，規(guī)避了數(shù)據(jù)傳輸模塊帶來的延遲不確定性，降低了系統(tǒng)的群延時(shí)。系統(tǒng)的同步算法只需要補(bǔ)償硬線帶來的延遲差異即可，從很大程度上減輕了系統(tǒng)同步負(fù)擔(dān)?；驹O(shè)計(jì)框圖如圖2所示。

圖2 基于JESD204協(xié)議的同步設(shè)計(jì)

2 JESD204B協(xié)議的同步要求及改進(jìn)

在FPGA間實(shí)現(xiàn)JESD204B協(xié)議的同步傳輸可以分解為4項(xiàng)基本要求[3]：

(1) SYSREF信號(hào)

對(duì)于實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的固定延遲以及同步而言，SYSREF信號(hào)是最為重要的，它用于完成本地多幀時(shí)鐘(LMFC)的對(duì)齊。針對(duì)SYSREF信號(hào)提出2個(gè)要求：其相對(duì)于器件時(shí)鐘滿足建立及保持時(shí)間要求，并且以一個(gè)適當(dāng)?shù)念l率運(yùn)行，也可配置為單個(gè)脈沖，取消頻率約束。

在傳輸系統(tǒng)的設(shè)計(jì)之初首先確定SYSREF的頻率(如采用SYSREF周期模式)。主要要求是SYSREF信號(hào)必須以1個(gè)等于或者整數(shù)分頻本地多幀時(shí)鐘(LMFC)的頻率運(yùn)行，即：

(1)

式中：fbitrate為高速串行收發(fā)器的接口速率；F為每幀8位的字節(jié)數(shù)；K為每個(gè)多幀的幀數(shù)；n為任意正整數(shù)。

其次系統(tǒng)設(shè)計(jì)需要讓SYSREF滿足核時(shí)鐘建立保持時(shí)間的要求。FPGA片外時(shí)鐘芯片一般會(huì)設(shè)置為SYSREF信號(hào)與其提供的器件時(shí)鐘(device clk)或者參考時(shí)鐘(refclk)同步，也就是輸出邊沿對(duì)齊。此時(shí)下降沿采樣能夠獲得最好的時(shí)序特性?？紤]到實(shí)際印制電路板(PCB)布線帶來的延遲差異，對(duì)進(jìn)入FPGA IO的相關(guān)信號(hào)做如下時(shí)序約束，保證在1 ns的時(shí)間差內(nèi)對(duì)齊SYSREF信號(hào)和refclk信號(hào)：

set_input_delay -clock jesd204_0_refclk -max 0.5 [get_ports *x_sysref]

set_input_delay -clock jesd204_0_refclk -min -0.5 [get_ports *x_sysref]

(2) 多幀周期

選擇多幀周期實(shí)際就是設(shè)置合適鏈路延遲，使得延遲滿足協(xié)議所需的固定延遲要求。協(xié)議的總延遲T可以表述為：

T=NTLMFC-TTXLMFC+TRXLMFC

(2)

式中：TTXLMFC為發(fā)送端SYSREF到TLMFC的固定延遲；TRXLMFC為接收端SYSREF到TLMFC的固定延遲；N為整數(shù)；TLMFC為L(zhǎng)MFC周期。

為保證每次上電時(shí)延遲固定，首先最大傳輸延遲必須滿足：

TTXOUT(MAX)+TWIRE(MAX)+TRXIN(MAX)

(3)

式中：TTXOUT為發(fā)送端LMFC到輸出串行數(shù)據(jù)間的延遲；TWIRE為傳輸線路上的延遲；TRXIN為接收端LMFC到并行數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)輸出的接口的延遲。

其次，最小延遲須滿足：

TTXOUT(MIN)+TWIRE(MIN)+TRXIN(MIN)>T

(4)

下面以Xilinx FPGA 內(nèi)的型號(hào)(GTH)為例，計(jì)算LMFC周期和相應(yīng)N的值，GTH相關(guān)參數(shù)如表1所示，GTX、GTP參數(shù)請(qǐng)參考文獻(xiàn)[2]。

將以上參數(shù)以及式(2)代入式(3)、(4)，并且假設(shè)TWIRE(MIN)、TWIRE(MAX)均為0，得到如下表達(dá)式：

(5)

進(jìn)一步推導(dǎo)得：

(6)

由上式得到當(dāng)N=1，TLMFC=FK=128時(shí)，滿足固定延遲的要求，且余量足夠。

(3) 緩沖器釋放點(diǎn)

彈性緩沖器是實(shí)現(xiàn)確定性延遲的關(guān)鍵部件[5]。它是通過在串行化數(shù)據(jù)從發(fā)送端行進(jìn)至接收端的過程中補(bǔ)償其傳播延遲變化來做到這一點(diǎn)的。正確的釋放點(diǎn)是一個(gè)可針對(duì)延遲變化提供充足余量的點(diǎn)，錯(cuò)誤的釋放點(diǎn)會(huì)產(chǎn)生一個(gè)LMFC周期的延遲變化。

選擇一個(gè)正確的釋放點(diǎn)需要了解數(shù)據(jù)在彈性緩沖器上的平均到達(dá)時(shí)間(對(duì)于一個(gè)LMFC邊沿)以及所有器件的總預(yù)期延遲的變化。利用該信息即可確定一個(gè)LMFC周期內(nèi)的無效點(diǎn)釋放區(qū)域。最終應(yīng)該保證需要同步各個(gè)發(fā)送端的數(shù)據(jù)均在釋放點(diǎn)到來之前到達(dá)接收器件內(nèi)的緩沖器。下面用1幅時(shí)序圖來說明(如圖3所示)，從圖3可以明顯看出，發(fā)送路徑2具有較長(zhǎng)的路由距離，導(dǎo)致傳輸延遲較長(zhǎng)。JESD204B IP的緩沖釋放點(diǎn)調(diào)整是通過修改SYSREF延遲(DELAY)參數(shù)來完成的，延遲SYSREF實(shí)際上等同于延遲LMFC的出現(xiàn)時(shí)間。從圖3中可以看出此時(shí)選擇默認(rèn)值0比較合適，左右都有一定的余量。若LMFC出現(xiàn)在條狀無效區(qū)域則2路的同步結(jié)果有可能存在1個(gè)LMFC的周期延遲。

(4) SYNC信號(hào)的要求及傳輸改進(jìn)

JESD204B 協(xié)議對(duì)SYNC的定時(shí)要求只在一些特殊的場(chǎng)合適用[3]。對(duì)于FPGA間的應(yīng)用SYNC信號(hào)并不起到定時(shí)作用，當(dāng)接收端收到連續(xù)K28.5后，會(huì)拉高SYNC信號(hào)通知接收端啟動(dòng)發(fā)送ILA序列。

通常情況該信號(hào)都是由低壓差分信號(hào)(LVDS)差分線完成傳輸，在傳輸規(guī)模較大、發(fā)送端板卡及通道數(shù)較多情況下，需要大量的差分線完成SYNC的信號(hào)傳輸。但是實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景對(duì)體積和走線規(guī)模有嚴(yán)格要求，比如天線陣面集成模塊和處理機(jī)箱間，所以需要對(duì)SYNC信號(hào)的傳輸進(jìn)行改進(jìn)。正常模式下FPGA內(nèi)JESD204B協(xié)議的發(fā)送端只利用收發(fā)器的發(fā)送部分完成數(shù)據(jù)傳輸，接收端只利用收發(fā)器的接收端，這也造成了收發(fā)器資源的浪費(fèi)。這里采用收發(fā)器共享技術(shù)將某個(gè)通道JESD204B協(xié)議的反向通道的收發(fā)器以自定義協(xié)議報(bào)文的方式傳送SYNC信號(hào)，同時(shí)還能夠傳送反向控制報(bào)文，控制發(fā)送端的工作模式與運(yùn)行狀態(tài)，具體示意圖如圖4所示。

圖3 確定緩沖釋放點(diǎn)的LMFC有效區(qū)域

圖4 JESD204B SYNC信號(hào)傳輸改進(jìn)方案

該方案在不增加FPGA功耗的同時(shí)解決了多路SYNC傳輸?shù)男枨螅岣吡薋PGA收發(fā)器的利用率。

3 片間JESD204B同步功能驗(yàn)證

測(cè)試的目標(biāo)FPGA芯片選擇2片Xilinx公司的XC7V690T，基本設(shè)計(jì)環(huán)境如下：片間同步系統(tǒng)由6個(gè)JESD204B協(xié)議發(fā)送和接收通道組成；每個(gè)通道由8個(gè)子通道(LANE)組成；每個(gè)LANE線速率10.24 Gbps；多幀周期值為128(F=4，K=32),SYSREF設(shè)置為周期模式，頻率為8 MHz；選擇高度鎖相環(huán)(QPLL)作為收發(fā)器的時(shí)鐘源降低時(shí)鐘抖動(dòng)帶來的影響。

(1) 片內(nèi)多通道的同步實(shí)驗(yàn)

JESD204B通道的所有發(fā)送端位于同一片發(fā)送FPGA中，接收端通道位于接收FPGA中，在發(fā)送端FPGA將某路A/D采樣后頻率為2 561 MHz的正弦信號(hào)同時(shí)分發(fā)給6個(gè)JESD204B TX IP作為數(shù)據(jù)源，SYNC信號(hào)通過反向通道傳輸自定義報(bào)文傳輸，得到的接收端測(cè)試結(jié)果如圖5所示。

圖5 片內(nèi) JESD204B同步測(cè)試結(jié)果

測(cè)試結(jié)果表明JESD204B協(xié)議初始化成功，為了更直觀地顯示同步結(jié)果，每個(gè)通道只抽取其中的一路進(jìn)行比較，從測(cè)試結(jié)果可以看到，6個(gè)通道接收到的采樣數(shù)據(jù)相位一致，接收到的采樣數(shù)據(jù)是同步的。

(2) 板間多通道同步實(shí)驗(yàn)

4個(gè)發(fā)送通道分別位于2塊板卡的FPGA內(nèi)，發(fā)送通道1、2位于發(fā)送板卡a中，發(fā)送通道3、4位于發(fā)送板卡b中，板卡間通過全雙工光纖連接。通過上述參數(shù)設(shè)置的JESD204B協(xié)議向接收板卡傳輸同步數(shù)據(jù)，接收端板卡通過收發(fā)器自定義命令報(bào)文向2塊發(fā)送板卡發(fā)送SYNC信號(hào)的信息，并通過控制報(bào)文同時(shí)將發(fā)送數(shù)據(jù)切換到計(jì)數(shù)器模式，接收端得到實(shí)驗(yàn)結(jié)果(如圖6所示)。

圖6 板卡間 JESD204B同步測(cè)試結(jié)果

此時(shí)接收端4路通道接收到的計(jì)數(shù)值和波形相同，說明此數(shù)據(jù)是嚴(yán)格同步的。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明該設(shè)計(jì)能夠保證SYNC信號(hào)與命令控制報(bào)文的正確傳輸，并保證板間及通道間的數(shù)據(jù)同步。最后通過反復(fù)多次加電進(jìn)行可靠性測(cè)試，均能滿足同步設(shè)計(jì)需求，證明了同步設(shè)計(jì)的正確性與可靠性。

4 結(jié)束語

本文在比較基于Aurora協(xié)議與基于JESD204B協(xié)議的數(shù)據(jù)同步傳輸方案的基礎(chǔ)上，重點(diǎn)分析了基于JESD204B協(xié)議的FPGA片間數(shù)據(jù)同步傳輸要點(diǎn)，并對(duì)協(xié)議SYNC信號(hào)的傳輸進(jìn)行了改進(jìn)，提高了FPGA收發(fā)器利用率，節(jié)約了系統(tǒng)的走線資源。最后在板卡上驗(yàn)證同步傳輸功能，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明該方案能夠有效完成系統(tǒng)數(shù)據(jù)的同步傳輸，為工程應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。