基于基于FPGA的高速串行数据收发接口设计的高速串行数据收发接口设计
针对传统ADC/DAC应用中采样数据并行传输存在线间串扰大、同步难等问题,设计了一种基于高速串行协议
——JESD204B的数据收发接口。以Xilinx公司V7系列FPGA为核心控制单元设计电路,在单通道传输速率为6
Gb/s的条件下完成数据收发测试,验证了传输过程中数据的同步性、准确性及整体方案的可行性。设计结果表
明,这种串行传输方式不仅解决了并行传输所带来的诸多问题,还降低了制板设计时PCB布线的复杂程度、减
少了板层数量、节约了成本。
0 引言引言
数据转换器包括模数转换(Analog-to-Digital Converter,ADC)和数模转换(Digital-to-Analog Converter,DAC),是集成电路
中的重要组成部分。在数字信号处理技术发展的过程中,普通的数据转换器已难以满足用户对数据传输速率和转换速率的需
求,这促使了高速ADC/DAC及其相关技术的快速发展。
传统的采样数据多使用并行传输方式,该方式不仅使信号容易受到同步难、线间串扰大等问题的影响,还带来PCB布局布
线复杂、板层多、成本高等诸多弊端。本文就该问题研究了高速串行数据传输协议——JESD204B,并基于该协议设计了一种
高速数据转换器与FPGA之间的数据传输接口。最终通过以Xilinx Vertex-7系列FPGA为逻辑控制单元搭建电路进行实验测试,
验证了设计的正确性和可行性。
1 JESD204B协议的优势协议的优势
互补金属氧化物半导体(Complementary Metal Oxide Semiconductor,CMOS)和低电压差分信号(Low-Voltage
Differential Signaling,LVDS)是数据转换器与FPGA间常用的两种接口电平标准。其中CMOS的瞬态电流会随着数据转换率
的提高而增大;LVDS的电流和功耗虽然较为平稳,但接口可支持的最高速率受到限制(仅1~2 Gb/s)
[1]
。因此这两种接口标准
已不再能满足用户对转换器在转换速率、分辨率和更低功耗等方面的需求。
JESD204B作为高速串行协议提供了一种高性能低功耗的接口解决方案,它的主要优势在于:简化了系统设计,使得PCB
布局布线更轻松;减少了芯片引脚数量,从原来的多引脚低速并行接口升级到少引脚高速度串行接口;降低了总体成本,能够
实现更小的IC封装和电路板设计,从而降低成本。基于这些优势,JESD204B特别适合一些高速应用,如4G、LTE、医学影像
处理、雷达通讯等。
目前,主流的半导体厂商都推出了支持该协议的高速数据转换器,因此针对高速数据串行传输的接口设计是非常必要的。
由于FPGA具有硬件可编程性、运行速度快、性能稳定等优势,且拥有多个Bank 的高速收发器能够支持JESD204B协议,故
在应用中多使用FPGA作为逻辑器件与ADC/DAC配合使用,方案架构如图1
[2]
。
2 JESD204B协议接口结构协议接口结构
JESD204B协议主要由4个部分组成,分别是物理层、链路层、传输层和应用层
[3]
,如图2。