FPGA与高速ADC接口简介

引言：本文介绍FPGA与高速ADC接口方式和标准以及JESD204与FPGA高速串行接口。

1. 高速ADC与处理器互联需要权衡的因素

如图1所示，ADC模数转换器可以与微控制器、DSP、FPGA以及ASIC均可以实现互联，在进行选择时，需要考虑以下因素：设计要求的信号处理和转换器性能、开发成本、IO接口速率、开发的便利性以及器件材料成本。

图1：ADC与处理器互联需要权衡的因素

2. 高速ADC常见的接口形式

（1）并行接口

并行接口又可分为并行CMOS和并行DDR LVDS接口。CMOS并行接口一般速率在150MSPS，DDR LVDS ADC可达420MSPS速率，通常对FPGA接口性能要求不高，在低档FPGA接口实现，但是由于采用并行接口，这种ADC占用的FPGA IO管脚数量较多。

（2）串行LVDS接口

串行LVDS ADC最大速率可≥1Gbps，通常ADC片内集成倍频PLL，由于数据数量较高，通常需要中端FPGA实现互联，与FPGA互联的引脚数与使用的数据通道数有关。

（3）JESD204B接口

JESD204B ADC最大数据速率≥6.25Gbps，通常常用串行CML接口标准。需要使用FPGA收发器接口才可互联，一般需要中高端FPGA，由于采用Gbps收发器，使用的FPGA IO引脚数较少。

高速ADC常见的接口形式对比如图2所示。

图2：高速ADC常见的接口形式对比

3. 高速ADC常见控制接口

高速ADC的控制接口几乎都独立于数据接口，通常为SPI，有时为I2C或引脚可编程（物理管脚配置）。控制接口通常用于访问转换器的寄存器，实现芯片控制。

控制接口运行速率比数据接口慢得多，SPI运行速率通常小于40 MHz (5 Mbps)。

4. JESD204串行接口

（1）采用JESD204串行接口优点

如图3所示，采用JESD204串行接口优点较多。

图3：并行接口与串行接口对比

1）简化整体系统设计

■ 减少走线路径，简化电路板走线设计；

■ 简化同步时序设计。

2）引脚数减少 – Tx和Rx均是如此

■ 引脚数量多的低速并行接口转为引脚数量少的高速串行接口；

■ 集成嵌入式时钟进一步减少引脚数。

3）降低系统成本

■ 更小的IC封装和电路板设计可降低成本。

4）轻松扩展满足未来带宽需要

■ 几何尺寸更小、速度更快，更好地适应标准。

（2）JESD204标准演进

JESD204，是JEDEC定义的针对高速点对点串行接口的一项标准，用于互连两个（或更多）器件，如转换器到数字接收器、数字源到DAC或数字源到数字接收器。

与以前的转换器接口相比单个主机串行接口可用来传递所有数据、时钟和帧信息。时钟和帧信息嵌入数据流中，无需担心数据和时钟之间的设置建立和保持时间。

图4：JESD204标准链路

JESD204这种标准在转换器和接收器（通常为FPGA或ASIC）定义了一种数千兆位的数据链路。

如图4所示，JESD204（2006年4月）原有标准只定义了一条通道、一条链路对采样通过单个串行通道到多个转换器的传输进行了定义，最高速率为3.125Gbps。

图5：JESD204A标准链路

如图5所示，JESD204A（2008年4月）—首次修订，将原有标准扩展成多条链路和多个通道。修订版增加了通过多个对齐串行通道向多个转换器传输数据的能力，最高速率为3.125 Gbps。

图6：JESD204B标准链路

如图6所示，JESD204B（2011年8月），第三版，运用一个器件时钟，同时增加了多项措施以确保获得确定性的延迟。支持通过多个对齐的串行通道向多个转换器传输数据，最高速率为12.5Gbps。

（3）JESD204标准各层

图7：JESD204B各层的简化数据流

如图7所示，JESD204B标准是一种分层规范，规范中的各层都有自己的功能要完成。应用层支持JESD204B链路的配置和数据映射。传输层实现转换样本与成帧未加扰八位字之间的映射。加扰层可以选择性地获取八位字并进行加扰或解扰，以便通过延展频谱尖峰来降低EMI效应。加扰在发送器中完成，解扰在接收器中完成。在数据链路层中，可选加扰的八位字编码成10位字符。该层也是产生或检测控制字符的地方，目的是监视和维护通道对齐。物理层即串行器/解串器(SERDES)层，负责以线路速率发送或接收字符。该层包括串行器、驱动器、接收器、时钟和数据恢复电路。

（4）JESD204B 标准中关键信号

1）器件时钟（Device clock）

■ 系统中的一个时钟信号，为链路中数据的帧速率的谐波；

■ 在JESD204B系统中，帧时钟不再是主机系统参考源。

2）SYNC~

■ 从接收器到发送器的一个系统同步低电平有效信号，表示同步状态；

■ 当SYNC~为低电平时，接收器和发送器同步；

■ 如果涉及多个DAC/ADC，则可将SYNC~组合起来。

3）通道0、 … 、 L-1

■ 链路中的差分通道（通常为高速CML）；

■ 8B/10B代码组按先MSB/后LSB方式传输。

4）SYSREF（可选）

一个可选的源同步、高压摆率时序分辨率信号，用于重置器件时钟分频器（包括LMFC），以确保获得确定性的延迟。

同时分配至系统中的ADC/DAC和ASIC/FPGA逻辑器件，可用时，SYSREF是JESD204B系统中的主机时序参考，因为它负责重置LMFC参考。

（5）JESD204x 标准中确定性延迟

■ 当从JESD204x接收器输入端到JESD204x接收器输出端的时间始终为相同时钟周期时，则延迟具有确定性；

■ 在并行实现中，确定性延迟很简单—时钟随数据传输；

■ 在串行实现中，存在多个时钟域，结果可能造成不确定性；

■ JESD204和JESD204A并未针对如何确定延迟的确定性进行规定

■ JESD204B通过规定三个器件子类，试图解决这一问题：

器件子类0—不支持确定性延迟；

器件子类1—利用SYSREF（500 MSPS以上）实现确定性延迟；

器件子类2—利用SYNC（最高500 MSPS）实现确定性延迟。

（6）JESD204B硬件应用示例

图8：JESD204B ADC与FPGA硬件连接示例

如图8所示，AD9250是来自ADI公司的250 MSPS 14位双ADC，支持子类1实现中的JESD204B接口。该子类允许使用SYSREF事件信号跨ADC进行模拟采样同步。AD9525是一款低抖动时钟发生器，不仅提供高达3.1 GHz的七个时钟输出，而且能够根据用户配置同步SYSREF输出信号。这两种产品，再加上ADI公司的一系列扇出缓冲器产品，提供了一个框架，可以精确同步和对齐发送到FPGA或ASIC进行处理的多个ADC数据。

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