7系列GTX在CPRI下的應(yīng)用

Kintex7系列的GTX，以其良好的性能和功耗表現(xiàn)，已經(jīng)成為業(yè)界FPGA選型時(shí)的明星。由于其良好的DFE性能，它能提供高達(dá)12.5Gbps的過(guò)背板能力，能支持在插損高達(dá)30dB的信道上可靠傳輸。在眾多的SERDES應(yīng)用中，有些應(yīng)用比較特別，那就是需要在實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中動(dòng)態(tài)切換GTX的鏈路速率，如無(wú)線中的CRPI接口，需要同時(shí)支持9.8G，4.9G，2.4G等眾多速率。那么，如何能做到可靠地進(jìn)行速率切換呢？本文就此作為主題，希望能充分發(fā)揮GTX的優(yōu)勢(shì)。

1.     背景知識(shí)

GTX結(jié)構(gòu)

Kintex7的SERDES的結(jié)構(gòu)圖如圖1。

圖1   Kintex7 GTX結(jié)構(gòu)圖

以發(fā)送方向?yàn)槔瑓⒖磮D2的發(fā)送方向的時(shí)鐘分布圖：

圖2 GTX 發(fā)送方向時(shí)鐘分布圖

Kintex7在進(jìn)行鏈路速率切換時(shí)，主要有如下幾種辦法：

1） 切換QPLL/CPLL的參考鐘源頭；

2） 通過(guò)DRP接口修改QPLL/CPLL的參數(shù)設(shè)置

3） 切換QPLL/CPLL提供鏈路時(shí)鐘；

4） 調(diào)整PMA的分頻系數(shù)。

GTX工作模式介紹

在GTX內(nèi)部，有2種工作模式：LPM模式和DFE模式。

LPM（Low Power Mode）模式是低功耗模式，其主要支持低插損信道，鏈路速率<11.2G，信道插損在12dB以下的情況。在LPM模式中，CTLE和baseline wander cancellation都是全自動(dòng)的，不需要手工調(diào)整。LPM模式的結(jié)構(gòu)圖如下：

圖3 LPM模式下GTX結(jié)構(gòu)圖

DFE模式則提供更好的信道補(bǔ)償，其能夠支持高達(dá)12.5G的鏈路速率，并在信道插損大于8dB的場(chǎng)景下有良好表現(xiàn)。DFE和CTLE不同，它不會(huì)放大噪聲和串?dāng)_，能糾正信道不連續(xù)引起的反射。它能自動(dòng)利用AGC，CTLE，DFE和baseline wander cancellation來(lái)完成信道補(bǔ)償，同時(shí)也支持CTLE手動(dòng)模式。DFE模式下GTX的結(jié)構(gòu)圖如圖4。

圖4 DFE模式下GTX結(jié)構(gòu)圖

8B/10頻譜特性介紹

為何單獨(dú)介紹8B/10B呢？主要是因?yàn)椴捎?B/10B編碼的系統(tǒng)，其當(dāng)系統(tǒng)空閑時(shí)，大體上都會(huì)發(fā)送固定碼型的數(shù)據(jù)，如802.3中定義的/I1/和/I2/。固定碼型的數(shù)據(jù)其頻譜比較離散，有太多的毛刺，不利于EMI也不利于DFE進(jìn)行補(bǔ)償跟蹤。一般來(lái)說(shuō)，當(dāng)鏈路速率>5Gbps時(shí)，只是簡(jiǎn)單的采用8B/10B編碼已經(jīng)不適合。眾多協(xié)議一般此時(shí)會(huì)使用加擾進(jìn)行替代或者在8B/10B編碼前先對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行加擾。

在實(shí)際應(yīng)用中，可以通過(guò)示波器對(duì)信號(hào)進(jìn)行快速FFT分析，得到其頻譜特性。如果頻譜毛刺比較多，那么就需要考慮在發(fā)送端改善信號(hào)頻譜。圖5是8B/10B編碼下，不同的模式的頻譜。從圖上可以看出，發(fā)送固定序列的AKR IDLE和GbE下的/I2/，其頻譜毛刺都很多，不適合于DFE工作。

                                                                       圖5 頻譜圖

GTX復(fù)位流程

如果是以ISE14.4例化GTX，那么GTX的IP版本應(yīng)該是2.4。在此版本的example code中,對(duì)于GTX的復(fù)位流程有充分的考慮。其可以作為大家設(shè)計(jì)GTX的復(fù)位處理的樣板。復(fù)位順序的一個(gè)總體原則是：從PLL，到PMA，再到PCS，再到用戶邏輯，依序處理。需要注意的是，GTX的復(fù)位都以統(tǒng)一的GTRXRESET/GTTXRESET來(lái)啟動(dòng)，而復(fù)位模式則配置成sequential reset。

在接收方向，復(fù)位流程大致為：

圖7 GTX接收方向復(fù)位流程圖

在發(fā)送方向，復(fù)位流程大致為：

圖8 GTX發(fā)送方向復(fù)位流程圖

2.     GTX配置介紹

GTX的配置需要重點(diǎn)關(guān)注的是：1） AGC；2） CTLE；3） RXCDR_CFG；4） 發(fā)送方向的Pre-emphasis。本文主要討論前面3項(xiàng)。

LPM模式下，AGC和CTLE都是全自動(dòng)模式。其也提供了HOLD，OVERRIDE端口進(jìn)行控制，如{RXOSHOLD, RXOSOVRDEN}，{RXLPMLFHOLD, RXLPMLFKLOVRDEN}，{RXLPMHFHOLD, RXLPMHFOVRDEN}。

在DFE模式下，同樣也提供了HOLD，OVERRIDE端口進(jìn)行控制各種屬性。其還分為CTLE Auto模式和CTLE Manual模式。CTLE Auto模式的啟用可以通過(guò)DRP接口修改如下屬性來(lái)完成。

• RX_BIAS_CFG[5:4] = 2'b11
• RX_DFE_KL_CFG2[26:23] = 4'b0111
• RX_DFE_LPM_CFG[5:2] = 4'b0010

而在CTLE Manual模式下，通過(guò)DRP接口修改RX_DFE_KL_CFG2屬性，可以調(diào)整CTLE的頻率響應(yīng)曲線，從而獲得適合于信道的值。

圖9 DFE模式下CTLE的設(shè)置

除去上面的配置，影響GTX性能的還有RXCDR_CFG屬性，其也只能通過(guò)DRP接口完成修改。具體推薦配置值參看表1。