一文详解JESD204B高速接口协议

来源：数字站

本文参考B站尤老师JESD204B视频，图片来自JESD手册或者ADI/TI官方文档。

01对比LVDS与JESD204

JESD204B是逻辑器件和高速ADC/DAC通信的一个串行接口协议，在此之前，ADC/DAC与逻辑器件交互的接口大致分为如下几种。

低速串行接口（I2C、SPI）、低速并行接口（包含时钟信号和并行数据信号，例如AD9226、AD9280等）、LVDS接口（在低速并行接口的基础上将数据线和时钟线变为差分信号，速度可以达到几百MHz）、最后演变为JESD204高速串行总线。

前两种接口的ADC和DAC比较常见，不管是单片机还是FPGA，都使用的比较多，不再赘述。接下来讲解LVDS接口的劣势，为什么高速ADC会演变为JESD204。

首先是PCB布局布线的难度，如下所示，相同的16位DAC，LVDS接口需要使用16对差分数据线，而JESD204B接口只需要使用4对差分线（带宽与LVDS接口一致）。

图1 数据线的差别

上述两种接口的PCB布线如下所示，由于数据线之间还要严格等长，LVDS需要使用4层布线，而JESD204B只需要一层布线即可。

图2 PCB布线

同时由于芯片数据引脚减少，芯片的尺寸也可以做得更小，缩减PCB的面积，如下所示。

图3 芯片面积缩小

LVDS接口的时序如下图所示，在时钟信号的边沿采集并行数据总线的状态，容易引起信道偏斜。要求各数据线之间严格等长，在时钟边沿能够稳定采集所有数据线的状态，在使用LVDS接口的器件时，一般都需要去通过idelaye去调节时钟和数据线的相位关系。

但如果数据线之间本身就没有对齐，当时钟频率较高时，整个系统很可能调试不出结果。钟频率越高，数据线对齐的要求越严格，时钟频率增加到某些值时，PCB走线可能已经无法完成对齐。

图4 LVDS接口的时序

JESD204接口是在高速Serdes的基础上封装得到的，因此数据传输的原理是一样的。如下图所示，JESD204接口并没有随路时钟信号，接收端通过CDR技术去调节参考时钟和数据之间的相位关系，每路串行数据均有对应CDR，各组数据线的PCB走线之间不需要等长对齐。

图5 JESD204接口接收数据时序

当然JESD204相对于LVDS也是有劣势的，JESD204并不能取代LVDS。由于JESD204的接收端需要锁相环给CDR提供参考时钟，因此JESD204的功耗一般会比LVDS高。

图6 JESD204与LVDS接口功耗

另外JESD204的接收端有缓冲器来实现多通道数据同步，数据传输延迟也会比LVDS大很多，因此在一些对延时比较敏感的系统中，可能还是得使用LVDS。

02JESD204的结构

JESD204从发布开始至今有四个版本，分别为JESD204、JESD204A、JESD204B、JESD204C，目前使用最多的是JESD204B，各个版本之间的差异如下所示。

表1 各个版本的功能

功能	JESD204	JESD204A	JESD204B	JESD204C
线速率(Gbps)	3.125	3.125	12.5	34.25
多lane	不支持	支持	支持	支持
多lane同步	不支持	支持	支持	支持
多器件同步	不支持	支持	支持	支持
确定性延时	不支持	不支持	支持	支持

其中支持确定性延迟是JESD204B的特点，JESD204B链路的确定性延迟定义为串行数据从发送器(ADX或FPGA)的并行帧数据输入传播至接收器(DAC或接收端FPGA)并行帧数据输出所需的时间。

图7 链路延迟

JESD204包含3种工作模式，如下所示。其中子类0是JESD204A的工作模式，不支持确定性延迟。子类1通过sysref和sync实现确定性延迟，子类2通过sync实现确定性延迟。子类1的结构最为复杂，也是JESD204B使用最广泛的模式。

图8 子类的连接方式

子类1的框图如下所示，时钟芯片同时给发送端和接收端提供sysref和Device Clock，接收端和发送端通过sysref去产生与Device Clock同步的帧时钟和多帧时钟LMFC。在链路建立阶段接收端通过拉低SYNC信号，去同步多lane数据，具体细节在后文的JESD204B确定性延迟章节进行讲解。

图9 子类1的结构

上图的发送端可以是ADC或者FPGA，接收端可以是FPGA或者DAC，从而实现ADC或者DAC与FPGA的数据传输。不管是发送端还是接收端，主要包含Transport Layer、Scrambler、Link Layer、Physical Layer等几部分。

物理层包含了完成高速并/串转换的SDRDES 模块，时钟及时钟数据恢复模块（CDR），也规定了接口的物理电器特性如下表所示。

表2 接口的物理电器特性

参数	LV-OIF-Sx15	LV-OIF-6G-SR	LV-OIF-11G-SR
线速率	312.5M~3.125Gbps	312.5M~6.375Gbps	312.5M~12.5Gbps
差分电压	500~1000 (mV)	400~750 (mV)	360~770 (mV)
误码率	≤ 1e-12	≤ 1e-15	≤ 1e-15

Link Layer主要包括8B10B编解码、数据链路的建立（帧和通道对齐）、使用符号位链路监控。链路建立的过程如下所示，具体实现在后文与确定性延时一起讲解。

图10 链路建立

加扰(Scrambler) 用于去除数据相关性，例如各个帧同时发送相同的数据，从而减小造成的系统干扰和减小电磁兼容性问题。加扰多项式为X15+X14+1，对应框图如下所示。

图11 加扰多项式

传输层（Transport Layer）的功能是将AD/DA的采集到的数据映射到非扰码的八字结的过程。如下图是一个传输层，需要理解一些参数的含义。

L：每颗ADC或者DAC芯片的高速收发器数量。

M：每颗芯片包含ADC或DAC通道数量。

F：每个高速收发器的每个frame包含几个字节的数据。

S：每个frame周期内芯片的采样点个数。

CS：每个采样点含有多少bit控制位。

图12 传输层

上图表示该芯片包含8路（M=8）分辨率为11（N=11）的ADC，8路ADC的数据通过4路（L=4）高速收发器传输，每个采样点包含2位（CS=2）控制位。

ADC每个采样点的数据需要经过两个时钟才能输出，因此在计算高速收发器线速率时，ADC分辨率其实可以等效为16位。

假设ADC采样率为X，则单个时钟ADC的采样数据为XM16bit，然后需要经过8B10B编码，编码后的数据量为(XM16)/0.8bit = XM20bit，最后通过4路高速收发器输出，每路高速收发器的线速率为XM20/4 = XM5bps。

当采样率为100MHz时，每路收发器线速率为100M85=4000Mbps。

ADS42JB49的传输层如下图所示，2路14位ADC通过4路高速收发器传输数据，通过上述方式计算每路高速收发器线速率为X216/0.8/4=X*10bps。

图13 ADS42JB49的传输层

下文着重讲解JESD204B子类1的数据链路建立过程和确定性延时相关知识。