高性能SERDES及其在CPRI接口的应用分析
中心议题：
- TLK3132工作原理
- TLK3132在CPRI接口的应用
1引言
随着数据宽带网络的迅猛发展，需要不断提高系统设备的业务容量。目前的趋势是采用高速串行通信技术，即采用串行解串器SERDES，把低速的并行数据转换为高速串行数据连接。SERDES串行接口可在背板或电缆/光纤等不同互联介质上传输高速信号，在提高系统传输带宽的同时，有利于印刷电路板（PCB）布线，并降低系统功耗和噪声。
TI（德州仪器）推出一系列高性能的通用SERDES，满足高带宽、高性能的应用要求，广泛应用在WI系统、接入设备、传送网络、数据通信等通信产品，以及工业控制系统。本文以TLK3132为例，详细介绍了SERDES工作原理和器件特点，并以WI系统中的CPRI应用需求为例，提供TLK3132的设计方法等。
2TLK3132工作原理
TLK3132是TI推出的一款通用两通道串行器／解串器（SERDES），采用90nm工艺，能满足一些低功耗的应用需求，内部功能模块如图1所示。SERDES Core的发送部分用于实现8位、9位或10位宽字的并串转换，然后通过一根电缆或印刷板(PCB)走线发送出去，而接收部分则将串行数据进行串并转换为8位、9位或10位宽的并行字。
图1 TLK3132内部功能框图
下面详细介绍了6个功能模块及其应用特点：并行接口、串行接口、时钟分布电路、8B/10B编解码电路、PRBS测试以及相关寄存器访问控制接口MDIO。
2.1并行接口
TLK3132器件每个通道并行收发侧分别包含8位数据位和两位灵活的控制位，支持各种通用的并行接口，如千兆以太网的介质无关接口RGMII、GMII、RTBI、TBI，以及RNBI、NBI、REBI、EBI、TBID和NBID等多种工作模式。对于DDR模式而言，既支持位边沿采样（采样时钟边沿与数据位翻转边沿同步），也可支持位中间采样（采样时钟边沿处于数据位的中间位置）；对于SDR模式而言，既支持上升沿采样并行口数据，也支持下降沿采样数据。由于使用同步时钟，在布线时时钟线和数据线必须等长且时钟线尽量不要分叉，此外通过配置不同的数据采样边沿，可以降低系统互连设计的风险，提高系统设计的鲁棒性。
并行接口采用单端的HSTL Class1电平接口，遵循EIA/JESD8-6标准电气指标规格，同时支持1.5V或1.8V的电源电压。为了提高HSTL高速接口的SI性能，TLK3132并行接收侧集成了可寄存器配置的匹配电阻，采用戴维南等效电路匹配方式，等效于加一个匹配电阻到VDDQ/2，同时也可关闭内部的阻抗匹配电路，如图2所示；并行发送侧可通过寄存器配置4种不同的边沿速率。
图2 并行口等效框图
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2.2串行接口
TLK3132支持的串行接口速率从600Mbps到3.75Gbps，不同通道可独立地工作于全速率、半速率以及1/4速率模式。为了补偿高速信号传输的介电损耗和趋肤效应，TLK3132高速串行接口发送端具有强大的去加重能力，共支持15级调节能力（达到10.87dB补偿），同时支持8级的输出摆幅设置（从125mV到1375mV）；接收端包含有自适应均衡器，最大补偿能力得到12dB以上，保证高速串行接口的SI性能。在3.072Gbps速率下可支持50inches的FR4传输或30m的电缆传输（特性阻抗50欧姆），解决了高速信号在背板侧或前基板的设计难题。
图3是TLK3132高速串行接口的AC耦合框图，采用CML高速电平接口，发送侧内部集成了50欧姆的匹配电阻。接收端支持DC和AC耦合，若采用直流耦合时，共模电压由发送侧决定，匹配电阻直接上拉到VDDT，若采用交流耦合，为得到最优的共模偏置电压，选择芯片内部0.8VDDT的偏置电压。在实际电路设计中，推荐采用交流耦合方式，容易实现不同接口的电平转换，并可去除共模噪声，避免外界噪声对接收端的影响。
图3 串行接口AC耦合
2.38B/10B编解码及通道同步
在串行链路通信中，为了实现信号时钟的恢复，需要避免出现长串0和长串1，同时保持电路上正负电平平衡，能正确地交流耦合避免信号失真，需要传输信号中的0和1数量数目相等，因此业界广泛应用8B/10B编解码方法：实现8B到10B的映射（图4），即一个字节（8bits）用10bits来表示，从中挑选出连续0或者1个数不会超过3个，0和1的个数差不大于2 （最多6个’0’或’1’）。
图 4 8B/10B映射
为了实现信号流中0和1的个数相等，在设计编码时，针对每个原码设计了两个编码，如：十六进制字节0x3B，对应两个编码分别为110110 1001（1的个数多于0）和001001 1001（0的个数多于1），在发送过程中不断统计当前数据流中0和1的个数差，如果0的个数大于1的个数，则发送0X3B字节时取前面一种编码；反之，则取后面一种编码，这样就不断平衡数据流中0和1的个数，保持串行数据中0和1的数量相同。
串行通信中，除了有效数据外，还需要一些控制字符传送某些控制协议。因此，在8B/10编码中，包含下面两种信息：
1)D分组，用于传递有效业务数据；
2)K分组，用于传递控制信息等，如K28.5控制字符10B编码包含0011111010或1100000101（连续5个’1’或’0’，称为Comma，千兆以太网使用的8B/10B编码方案中Comma是唯一的），用于定位串行数据流中每10个bits组的边界，避免数据流出现错误时无法界定每10bit的边界，导致链路中断。
TLK3132内部兼容了IEEE802.3-2005中关于1000BASE-X物理编码子层（PCS）技术（注：不支持自协商功能），如CTC FIFO、8B/10B编解码电路等模块，同时这些模块设计时非常灵活，通过MDIO口进行寄存器设置可以使能或关闭。此外，TLK3132通过检测Comma进行通道同步判断，内部的状态机也是参考1000BASE-X规定的链路同步和链路失步建立机制，因此TLK3132能被广泛应用在WI、数据网络、以太网等不同领域。
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2.4时钟电路
SERDES实现的一个关键技术是时钟的产生和分布，图5是TLK3132芯片内部的时钟架构。时钟配置非常灵活，支持单端或差分参考时钟输入，同时包括多个高频锁相环电路：
1）高速SERDES Core包含了一个高频倍频器（用于产生高速串行数据）和一个基于相位内插的CDR（在接收端用于从串行数据中恢复时钟）。
2）由于串并模块里的高频倍频器环路带宽很大，最大可达30MHz左右。故TLK3132内部集成了一颗基于LC振荡器的抖动滤除锁相环，环路带宽通常设置在几百KHz以内，可以对输入参考时钟进行滤除，降低参考时钟对几百KHz 以上抖动性能的要求，图6是TLK3132发送链路在抖动滤除器打开和关闭下的环路传递函数。此外，抖动滤除器也可对链路恢复的时钟（只可接收CH0通道的恢复时钟RXBCLK(0)）进行抖动滤除，提高恢复时钟的信号质量。
3）PLL1、PLL2、PLL3和PLL4作为倍频器，和前级抖动滤除锁相环电路配合，分别产生适合的时钟频率以满足系统各个模块的需求。
图5 内部时钟架构
图6 TLK3132内部锁相环环路带宽
2.5PRBS测试
TLK3132支持PRBS码的产生和验证，便于系统定位链路故障，提高设备的可维护性。TLK3132内部有两套PRBS测试方法，一个在SERDES Core内部（通过寄存器0x9011/0x9012配置），该测试一般是只针对生产测试，且控制性能受限，在电路设计中一般不用该功能；另一个是SERDES Core外面（图1所示），支持 PRBS测试多项式是 ，可以通过寄存器配置（0x10）或外部引脚PRBSEN逻辑控制打开或关闭。此外，PRBS验证时可通过GPO[1:0]管脚监控PRBS测试误码情况，也可访问寄存器0x1D读取误码数（当读取该寄存器后，将从新开始误码计数）。
2.6MDIO接口和寄存器访问
TLK3132内部寄存器访问通过MDIO管理接口实现（遵循IEEE 802.3 Clause 22规格），包括管理数据时钟（MDC）和管理数据输入输出（MDIO）。由于Clause 22直接寻址寄存器空间限制，TLK3132增加了一些扩展寄存器，故支持两种寻址方式：
1）直接寻址：主要包括与物理层相关的链路配置，地址空间分布在0x00~0x1F，PA[0]的高低电平决定对TLK3132的CH0通道或CH1通道进行操作；
2）间接寻址：TLK3132的一些扩展功能访问，如内部时钟配置、I/O性能配置等。地址空间分布在0x9000~0x9900，不同通道的功能有独立的寄存器进行配置。通过间接地址访问寄存器，需要先把寄存器地址写到0x1E地址，然后把相应的控制字写到0x1F地址或从0x1F地址读取相应的寄存器值。
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3TLK3132在CPRI接口的应用
为了处理射频模块拉远技术中基带单元和射频单元的光纤链接，国际上成立两个标准化组织：一个是CPRI （Common Public Radio Interface），在2003年由华为、爱立信、NEC、西门子和北电发起成立的组织，致力于基带、射频接口的标准化；另一个是OBSAI (Open Base Station Architecture Initiative)，由诺基亚、LG电子、三星电子等成立的联盟。二者都定义了使基带和射频分离的标准化接口，也就是将宏基站分为基带单元BBU和远端射频单元RRU两部分，BBU和RRU之间传送I/Q数据和控制管理数据，其信号格式就是CPRI或者OBSAI所定义的标准接口。本文以CPRI接口为例，详解TLK3132在射频模块拉远技术中的应用。
3.1CPRI接口
CPRI接口在传输用户界面定义了物理层layer1和数据链路层layer2两层协议。在物理层中，将上层接入点的数据进行串并/并串转换，以及物理层的编解码（CPRI接口推荐采用8B/10B，遵循IEEE 802.3 2005 Clause36建议）；在数据链路层，对上层接入点的I/Q数据、物理层协议数据、网络协议数据（包括以太网数据、高层数据链路协议数据）和厂家自定义的控制信息等进行相应的处理。
目前CPRI有三种建议的链路速率，分别是614.4Mbps、1228.8Mbps、2457.6Mbp。在发送侧，把I/Q数据、控制协议信息、同步信息等复用为CPRI帧结构信息，经过物理层的8B/10B编码后，通过光纤长距离传播（几公里到几十公里）；在接收侧，CPRI帧信号经过串并转换后经过8B/10解码成相应的I/Q数据和控制协议信息，交由上层数据链路处理。
CPRI帧分成基本帧单元和超帧单元。基本帧单元的帧频是3.84MHz，包括16个字（表示为W=0…15，其中W0为控制字，后15个字为I/Q数据），根据不同的链路速率，字的长度分别为8bits、16bits（如图7所示）、32bits。超帧单元是由256个基本帧单元组成，其中，第1个基本帧单元里的控制字写入K28.5标志作为超帧的同步控制信息，其余的255个基本帧单元里的控制字包含控制和管理字（C&M）、厂商自定义控制字等，并预留一些控制字。
图7 线速率1228.8Mbps的CPRI基本帧结构
在高速数据链路通信中，抖动指标是非常关键的，CPRI接口相应推荐了高速串行信号的眼图和抖动规格。在SERDES发送侧，CPRI要求的眼图模板如图8所示。
图8 CPRI接口发送输出眼图模板（E.x.LV）
表1 E.6.LV, E.12.LV and E.24.LV发送器AC定时规格 （参考资料CPRI Specification V2.0）
在CPRI接口的实现中，TLK3132完成高性能的串/并、并/串转换，以及CPRI帧的同步和8B/10B编解码，即CPRI接口物理层的相关功能实现。
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3.2应用例子
根据前面关于TLK3132的器件特点分析和CPRI接口介绍，TLK3132可以很好地满足CPRI接口的应用要求，图9是TLK3132在CPRI链路中的一个典型功能框图：TLK3132接收来自光电转换后的高速串行电信号，经串并转换后，提取相应控制字符和有效字符并进行8B/10B解码，送给ASIC或FPGA进行CPRI解帧处理；同时，也接收来自ASIC/FPGA的CPRI帧信号，进行相应的8B/10B编码后送给SERDES Core完成并串转换。
图9 TLK3132在CPRI接口的典型应用
在该电路中，TLK3132恢复时钟送给PLL作为参考时钟，同时其参考时钟又来自PLL的输出时钟。为保证内部CDR可靠工作，TLK3132要求参考时钟跟输入高速串行数据的频偏控制在+/-200PPM以内，因此外围PLL在失锁情况下，必须保证本地振荡器的自由振荡频率要足够稳定，通常建议采用基于压控晶振的时钟方案。
下面例子说明如何通过MDIO设置TLK3132相关寄存器的软件配置。假设：CH0和CH1通道串行速率分别为1228.8Mbps和2457.6Mbps、并行接口采用SDR接口并工作在NBI模式、使能内部8B/10B编解码器、差分参考输入122.888MHz时钟，内部抖动滤除锁相环关闭，则在TI的TLK3132评估板上参考软件配置如下。
START
CLAUSE 22 //选择CLAUSE 22模式
SETPHYADD(00) //选择物理地址0
WRITE(00, 8000) //软件复位芯片，即对所有寄存器进行复位
READ(11, 3590, FFFF) // 验证MDIO 功能是否正常
WRITE(1E, 9100) //把0x3FF0写入0x9100寄存器，差分参考输入作为SERDES Core的参考时钟
WRITE(1F, 3FF0)
WRITE(1E, 9000) //高频倍频器的倍频系数设为10
WRITE(1F, 1515)
WRITE(1E, 9001) //设置CH0为1/2速—1228.8Mbps、CH1为全速—2457.6Mbps
WRITE(1F, 6060)
WRITE(10, 8400) //并行接收时钟选择各自通道的恢复时钟
WRITE(11, B197) //并口为SDR且工作在NBI模式、上升沿打数据、8B/10B使能
WRITE(1E, 9002) //设置CH0通道接收为交流耦合、自适应均衡
WRITE(1F, 1005)
WRITE(1E, 9004) //设置CH1通道接收为交流耦合、自适应均衡
WRITE(1F, 1005)
WRITE(1E, 900A) //设置CH0通道串行发送端的摆幅为1000mV，去加重为9.52% (0.87dB)
WRITE(1F, 0B21)
WRITE(1E, 900C) //设置CH1通道串行发送端的摆幅为1000mV，去加重为9.52% (0.87dB)
WRITE(1F, 0B21)
WRITE(10, 8C00) //数据通道复位
PAUSE(100) //等待芯片配置生效
WRITE(1E, 901B) //检查SERDES Core内部锁相环是否锁定
READ(1F, 0011, 0011)
STOP
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3.3实验测试
由于串行口速率高达1228.8Mbps和2457.6Mbps，对PCB的layout提出较大的挑战。同时TLK3132具有非常优秀的损耗补偿能力，可以调整最佳的去加重补偿等级，以得到最佳的信号完整性性能。
在3.2节的例子中，反复发送K28.5字节数据，实际测试到的TLK3132发送端眼图如图9和图10（分别对应的串行速率为1228.8Mbps和2457.6Mbps），抖动主要来源于随机噪声，眼宽均在0.9UI以上，具有非常优越的抖动性能（通过适当调整去加重能力补偿传输线FR4的损耗，以提高SI性能）。
图10 1228.8Mbps发送侧眼图（经5inches FR4走线，调整了最优的去加重补偿）
图11 2457.6Mbps发送侧眼图（经5inches FR4走线，调整了最优去加重补偿）
4总结
TLK3132是一款低功耗、低抖动、低成本、高性能的多速率收发器，灵活的内部模块配置功能使其广泛地应用于高速串行通信。
为了降低无线网络的组网成本和提高覆盖范围，射频拉远技术广泛应用在3G网络建设，可把原基站内的基带单元和射频单元通过标准化接口（如CPRI等）进行分离，达到一处机房多处天线配置的网络布局，以减少运营商对固定机房的投资。作为CPRI接口实现的一个关键技术—高速串并/并串收发器，TLK3132提供非常优越的SI性能、标准的8B/10B和通道同步处理、灵活的片内时钟产生和分布等，完全能满足高可靠、多速率的CPRI接口标准要求。
