CN116054990B - 参数自适应的高速SerDes相位跟踪方法及其系统 - Google Patents
参数自适应的高速SerDes相位跟踪方法及其系统 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种参数自适应的高速SerDes相位跟踪方法及其系统，包括CDR环路及自适应参数选择单元，自适应参数选择单元包括低通滤波器、抽取器、方差计算单元、功率判决比较器及增益选择器，所述自适应参数选择单元用于根据CDR环路中的鉴相结果选择增益参数。本专利能够根据不同频率抖动的工况，自适应选择合适的增益参数，以满足目标抖动曲线的要求，其准确度高，误码率低，能够满足复杂工况的SerDes通信系统。
Description
技术领域
本发明涉及通信技术领域，尤其涉及一种参数自适应的高速SerDes相位跟踪方法及其系统。
背景技术
时钟数据恢复(Clock Data Recovery, 简称CDR)技术是SerDes(SERializer(串行器)/DESerializer(解串器))系统中最为核心的一项技术。相关的技术目前主要适应于高速串行数据通信中，例如PCIE/USB3.0/SRIO/JESD204B等。CDR性能直接决定了SerDes系统的误码率。而在某些应用场景中例如数字均衡器，相位跟踪不上会直接导致均衡失调，码间干扰(ISI)变大。在实际应用中，大部分情况下为了维持系统的稳定而采取固定参数的形式。参数固定即意味着性能固定，系统不灵活，面对复杂的工况则有可能出现性能无法适应的问题，导致误码率达不到指标要求。
发明内容
发明目的：为了解决现有技术中相位跟踪系统采用固定参数无法灵活适应复杂工况的问题，本发明提供一种参数自适应的高速SerDes相位跟踪方法及其系统。
技术方案：一种参数自适应的高速SerDes相位跟踪系统，包括CDR环路及自适应参数选择单元，所述自适应参数选择单元用于根据CDR环路中的鉴相结果选择增益参数，自适应参数选择单元包括低通滤波器、抽取器、方差计算单元、功率判决比较器及增益选择器；CDR环路的鉴相结果输入低通滤波器，低通滤波器输出端连接抽取器，抽取器输出端连接方差计算单元，方差计算单元的输出端连接功率判决比较器，功率判决比较器输出端连接增益选择器，方差计算单元用于估计周期时间内所有采样点的交流信号的平均功率，增益选择器用于选择不同的增益参数，功率判决比较器用于根据平均功率比较系统能量的大小。
进一步地，还包括CDR锁定判决单元，CDR锁定判决单元的输入端连接原始数据与恢复数据，输出端连接自适应参数选择单元；所述CDR锁定判决单元用于判断CDR是否锁定并将判决信号输入自适应参数选择单元用于复位自适应参数选择单元。
进一步地，所述CDR锁定判决单元用于比较统计周期内原始数据波形的上升沿个数与恢复数据波形的上升沿个数，若不一致，说明未成功锁定，输出有效复位信号，使自适应参数选择单元复位重新进行增益参数的选择；若一致，说明成功锁定，输出锁定信号，自适应参数选择单元保持已选参数不变。
进一步地，所述CDR环路包括鉴相器、仲裁器、增益控制器、相位调节器、频率累加器、相位累加器及相位插值器，原始数据从鉴相器输入，依次经仲裁器、增益控制器输入到相位调节器与频率累加器，相位调节器与频率累加器的输出端依次连接相位累加器、相位插值器，相位插值器输出端连接鉴相器，自适应参数选择单元中的增益选择器连接所述增益控制器。
一种使用上述参数自适应的高速SerDes相位跟踪系统的参数自适应的高速SerDes相位跟踪方法，包括以下步骤：
步骤一、初始化系统参数；
步骤二、在增益参数的取值范围内，分别选择不同的增益参数，每次选择增益参数后，估计周期时间内所有采样点的交流信号的平均功率，根据平均功率得到各增益参数对应的系统能量；
步骤三、计算系统能量最大值与最小值的差值，若所述差值超过3dB，则选出最小系统能量对应的增益参数作为最终选择的增益参数；若所述差值未超过3dB，则直接将增益参数可取的最小值作为最终选择的增益参数。
进一步地，还包括步骤四，步骤四包括：延时后对CDR是否锁定进行判决，若未成功锁定，则返回步骤二重新选择增益参数直到CDR成功锁定；若成功锁定，则增益参数保持不变。
进一步地，步骤四中，CDR锁定判决方法包括：比较统计周期内原始数据波形的上升沿个数与恢复数据波形采集并解复用后信号的上升沿个数，若不一致，说明未成功锁定；若一致，说明成功锁定。
进一步地，步骤一中的系统参数包括鉴相器增益KPD、判决器增益KV、频率参数KI及相位参数KP，系统参数的初始值的设定方法为：
提供系统阻尼系数
、目标抖动曲线及目标随机抖动均方根值/>
，由公式（1）根据/>
计算出鉴相器增益KPD：
将增益参数KG取最小值，不断调节相位偏差，读取鉴相器值并计算出两组鉴相结果，第一组鉴相结果为鉴相器不分组鉴相器值直接累加；第二组鉴相结果为鉴相器分两组，每组鉴相器值符号判决后进行累加，两组鉴相结果进行对比，以KPD相同为依据，得到判决器增益KV；
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为阻尼系数，TD代表数据的传输密度，KD表示每步可调的相位，/>
是抖动的峰峰值；
不断调节频率参数KI，根据公式（2）得到相应的相位参数KP，对于不同KI、KP的值，由公式（3）和（4）得到对应的系统抖动容限曲线值，将抖动容限曲线与目标抖动曲线相比较，选取低频响应与目标抖动曲线最接近时所对应的KI的值作为KI的初始值，此时的KP的值作为KP的初始值；
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为开环增益，KPD为鉴相器增益，KV为判决器增益，KDPC为已知的相位插值器分辨率，KG为增益参数，/>
为环路延迟，/>
为抖动容限曲线值，/>
为目标随机抖动均方根，TUI 为码字脉宽。
进一步地，步骤二中，通过公式（5）估计周期时间内所有采样点的交流信号的平均功率，各增益参数对应的系统能量为平均能量或总能量，平均能量直接取平均功率，总能量由公式（6）计算得到，
其中，
为第m个采样点的幅值，/>
为所有采样点幅值的均值，N为周期时间内的采样点个数，/>
表示平均功率/>
的估计值，/>
表示交流信号总能量估计值。
进一步地，若SerDes系统存在扩频时钟，在扩频时钟开启的情况下，直接将增益参数取最大值，无需执行步骤二步骤三。
有益效果：相比较现有技术，本发明提供的一种参数自适应的高速SerDes相位跟踪方法及其系统，能够适应不同的频率抖动工况，自动判决不同参数间的抖动跟踪性能，自适应调整选择最优增益参数，使恢复数据尽可能靠近数据边沿，强化时钟抖动的跟踪效果，其准确度高，误码率低，能够满足复杂工况的SerDes通信系统。
附图说明
图1为CDR环路的结构框图；
图2为自适应参数选择单元的结构示意图；
图3为CDR锁定判决单元的结构示意图；
图4为低频抖动工况下KG固定取8的相位跟踪结果图；
图5为低频抖动工况下KG固定取2的相位跟踪结果图；
图6为高频抖动工况下KG固定取8的相位跟踪结果图；
图7为高频抖动工况下KG固定取2的相位跟踪结果图；
图8为低频抖动工况下自适应参数的相位跟踪结果图；
图9为高频抖动工况下自适应参数的相位跟踪结果图。
实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步解释说明。
一种参数自适应的高速SerDes相位跟踪系统，包括CDR环路及自适应参数选择单元。如图1所示为CDR环路的结构框图，所述CDR环路包括鉴相器、仲裁器、增益控制器、相位调节器、频率累加器、相位累加器及相位插值器，原始数据从鉴相器输入，依次经仲裁器、增益控制器输入到相位调节器与频率累加器，相位调节器与频率累加器的输出端依次连接相位累加器、相位插值器，相位插值器输出端连接鉴相器。其中仲裁器用来对鉴相器的随机噪声进行初步的滤波，同时对于环路延迟造成的抖动，进行一定程度的消除。
如图2所示，所述自适应参数选择单元用于根据CDR环路中的鉴相结果选择合适的增益参数，自适应参数选择单元包括低通滤波器、抽取器、方差计算单元、功率判决比较器及增益选择器；CDR环路的鉴相结果输入低通滤波器，低通滤波器输出端连接抽取器，抽取器输出端连接方差计算单元，方差计算单元的输出端连接功率判决比较器，功率判决比较器输出端连接增益选择器，方差计算单元用于估计周期时间内所有采样点的平均功率，增益选择器用于选择不同的增益参数，功率判决比较器用于根据所述平均功率得到系统能量，并比较系统能量的大小，系统能量可以是平均能量，即直接取平均功率，也可以是根据平均功率计算出的总能量。自适应参数选择单元中的增益选择器连接所述增益控制器，增益控制器根据增益选择器给出的增益参数进行环路增益的控制。
参数自适应的高速SerDes相位跟踪系统还包括CDR锁定判决单元，CDR锁定判决单元的输入端连接原始数据与恢复数据，输出端连接自适应参数选择单元；所述CDR锁定判决单元用于判断CDR是否锁定并将判决信号输入自适应参数选择单元，用于复位自适应参数选择单元，未锁定时复位自适应参数选择单元。
所述CDR锁定判决单元通过比较统计周期内原始数据波形的上升沿个数与恢复数据波形的上升沿个数对CDR锁定状态进行判决。若不一致，说明未成功锁定，输出有效复位信号，使自适应参数选择单元复位重新进行增益参数的选择；若一致，说明成功锁定，输出锁定信号，自适应参数选择单元保持已选参数不变。CDR锁定判决单元的具体实现如图3所示，原始信号由低通滤波器输入，低通滤波器输出的信号作为移位寄存器的驱动时钟。
一种使用上述参数自适应的高速SerDes相位跟踪系统的参数自适应的高速SerDes相位跟踪方法，包括以下步骤：
步骤一、初始化系统参数；
本步骤中初始化的系统参数包括鉴相器增益KPD、判决器增益KV、频率参数KI及相位参数KP，系统参数的初始值在设计环节中就已经确定了，其确定方法为：
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，由公式（1）根据/>
计算出鉴相器增益KPD：
将增益参数KG取最小值（如1），不断调节相位偏差，读取鉴相器值并计算出两组鉴相结果，第一组鉴相结果boxcar为鉴相器不分组鉴相器值直接累加；第二组鉴相结果voter 4:2为鉴相器分两组，每组鉴相器值符号判决后进行累加，两组情况下的KPD是相同的，因此可以得到当前设计的判决器增益KV；
这样只剩下KI、KP未定，Kp可以通过式（2）得到，
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为阻尼系数，本实施例为了系统稳定，需保证/>
≥0.707；TD代表数据的传输密度，KD表示每步可调的相位， />
是抖动的峰峰值；
不断调节频率参数KI（常规可取
），根据公式（2）得到相应的相位参数KP，对于不同KI、KP的值，由公式（3）和（4）得到对应的系统抖动容限（JTOL）曲线值，将抖动容限曲线与目标抖动曲线相比较，选取低频响应（fcorner以下频点）与目标抖动曲线最接近时所对应的KI的值作为KI的初始值，此时的KP的值作为KP的初始值；
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为目标随机抖动均方根，TUI 为码字脉宽。
步骤二、在增益参数的取值范围内，分别选择不同的增益参数，每次选择增益参数后，估计周期时间内所有采样点的平均功率，根据平均功率得到各增益参数对应的系统能量，所述系统能量可以是平均能量（即直接取平均功率，公式（5）为平均功率的估计公式），也可以是所有采样点的总能量，计算公式如式（6）；
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表示交流信号总能量估计值。
步骤三、计算系统能量最大值与最小值的差值，若所述差值超过3dB，则选出最小系统能量对应的增益参数作为最终选择的增益参数；若所述差值未超过3dB，则直接将增益参数可取的最小值作为最终选择的增益参数。因为当KG增大一倍时，如果功率未能减小3dB（即减小一倍），则表示KG对当前的环路增益影响有限，而KG增大则系统输出抖动(Ditherpp)也会增大，因此，此时应选取KG较小的值，使系统总体输出抖动维持一个较小的水平。
为了对CDR锁定状态进行判决，还包括步骤四，步骤四包括：当KG值锁定后，延迟一个SSC周期后对CDR是否锁定进行判决，若未成功锁定，则返回步骤二重新选择增益参数直到CDR成功锁定；若成功锁定，则增益参数保持不变。
其中，CDR锁定状态的判决可以采用已有的方法实现，本实施例在该方面又提供了一种新的锁定判决方法，相比较传统方法能够更简单快速的对CDR锁定状态进行判断。该方法包括：在数据采集前端预留一个半带滤波器以对线上毛刺进行过滤(数据传输密度<=0.5因此带宽<=B/2)，从而最大程度上保留原始数据波形。比较统计周期内原始数据波形的上升沿个数与恢复数据波形采集并解复用（demux）后信号的上升沿个数，将两者进行对比，若数据不一致，说明未成功锁定，CDR锁定判决单元输出未锁定信号，这时自适应参数选择单元接收到未锁定的信号就会复位，重新进行合适的增益参数的选择；若数据一致，说明成功锁定，说明相位已经对齐，CDR锁定判决单元输出锁定信号，这时自适应参数选择单元就会保持当前选定的增益参数不变。该方法直接利用信道的数据波形，而不局限于具体的码型内容，适应于任意协议的SerDes数据通信，可以大量节省编码开销。
此外，若SerDes系统存在扩频时钟（SSC），在SSC开启的情况下，可以按照上述的相位跟踪方法进行相位跟踪，也可以直接将增益参数取最大值，无需执行步骤二步骤三。采用上述的相位跟踪方法进行相位跟踪的结果，也是会将增益参数取到最大值，最终结果一样，因此在系统存在SSC并开启SSC的情况下，可关闭自适应参数选择单元，直接将KG取最大值，减少计算量。
这样在相位跟踪的过程中，系统可以根据工况的改变，自适应地选择合适的增益参数，即可实现自适应相位跟踪的效果。
为了验证其效果，进行了如下一系列对比仿真实验。图4至图9中，jitter 是表示仿真给线上数据输入的抖动，单位UI；DLPF为低通滤波器的输出信号；ki_acc是频率积分支路累加的值；KG为增益参数的取值；E_8为KG取8时的系统能量；E_4为KG取4时的系统能量；E_2为KG取2时的系统能量，ana lock为CDR锁定状态信号。如图4所示为低频抖动（幅度1UI，频率2Mhz）下增益参数KG固定为8的相位跟踪效果，如图5所示为低频抖动（幅度1UI，频率2Mhz）的工况下增益参数KG固定为2的相位跟踪效果。对于低频抖动工况，当KG较小时（比如2），系统出现了失锁的现象(ana lock跳变)，说明在KG=2时，抖动容限（JTOL）不满足当前工况的指标要求。在KG=8时，一直保持锁定状态(ana lock信号持续为高)，表明在当前的工况下，KG=8时，系统可以跟踪上数据的相位，满足设计指标。
如图6所示为高频抖动（幅度0.3UI，频率25Mhz）的工况下增益参数KG固定为8的相位跟踪效果，如图7所示为高频（幅度0.3UI，频率25Mhz）的工况下增益参数KG固定为2的相位跟踪效果。对于高频抖动工况，KG=8时，系统出现失锁(ana lock跳变)，不满足高频抖动的工况。在KG=2 时，系统维持锁定状态(ana lock 维持高电平)，满足当前工况，表明在当前的工况下，KG=2时，系统可以跟踪上数据的相位，满足设计指标。
如图8和图9为采用本实施例的自适应相位跟踪系统的效果图。图8为低频抖动（幅度1UI，频率2Mhz）工况下的自适应情况，KG分别在8、4、2三个参数间进行调整，并计算在三种参数下的抖动能量E_8、E_4、E_2，由图8可见，当KG=8时，E最小，此时锁定状态信号analock一直维持高电平，表示CDR锁定。如DLPF波形所示，此时的抖动曲线幅值是最小的，这与能量计算结果一致，因此最后KG参数锁定在8，这与图4图5固定参数仿真的结果一致，表示自适应相位跟踪系统找到了最优值。图9为高频抖动（幅度0.3UI，频率25Mhz）工况下的自适应情况，KG分别在8、4、2三个参数间进行调整，并计算在三种参数下的抖动能量E_8、E_4、E_2，由图9可见，当KG=4时，E最小，但是三个参数的能量计算结果中，最大值与最小值相差未能超过3dB即一倍的关系，因此根据最小参数原则，KG最小值即2，表示最优值。通过analock信号也能对应这一过程，只有在KG=2时，ana lock信号一直拉高，表示CDR锁定。这与图6图7固定参数仿真的结果一致，表示自适应相位跟踪系统在高频抖动时也找到了最优值。
Claims (10)
1.一种参数自适应的高速SerDes相位跟踪系统，其特征在于，包括CDR环路及自适应参数选择单元，所述自适应参数选择单元用于根据CDR环路中的鉴相结果选择增益参数，自适应参数选择单元包括低通滤波器、抽取器、方差计算单元、功率判决比较器及增益选择器；CDR环路的鉴相结果输入低通滤波器，低通滤波器输出端连接抽取器，抽取器输出端连接方差计算单元，方差计算单元的输出端连接功率判决比较器，功率判决比较器输出端连接增益选择器，方差计算单元用于估计周期时间内所有采样点的交流信号的平均功率，增益选择器用于选择不同的增益参数，功率判决比较器用于根据平均功率比较系统能量的大小。
2.根据权利要求1所述的参数自适应的高速SerDes相位跟踪系统，其特征在于，还包括CDR锁定判决单元，CDR锁定判决单元的输入端连接原始数据与恢复数据，输出端连接自适应参数选择单元；所述CDR锁定判决单元用于判断CDR是否锁定并将判决信号输入自适应参数选择单元用于复位自适应参数选择单元。
3.根据权利要求2所述的参数自适应的高速SerDes相位跟踪系统，其特征在于，所述CDR锁定判决单元用于比较统计周期内原始数据波形的上升沿个数与恢复数据波形的上升沿个数，若不一致，说明未成功锁定，输出有效复位信号，使自适应参数选择单元复位重新进行增益参数的选择；若一致，说明成功锁定，输出锁定信号，自适应参数选择单元保持已选参数不变。
4.根据权利要求1至3任一所述的参数自适应的高速SerDes相位跟踪系统，其特征在于，所述CDR环路包括鉴相器、仲裁器、增益控制器、相位调节器、频率累加器、相位累加器及相位插值器，原始数据从鉴相器输入，依次经仲裁器、增益控制器输入到相位调节器与频率累加器，相位调节器与频率累加器的输出端依次连接相位累加器、相位插值器，相位插值器输出端连接鉴相器，自适应参数选择单元中的增益选择器连接所述增益控制器。
5.一种使用如权利要求1至3任一所述的参数自适应的高速SerDes相位跟踪系统的参数自适应的高速SerDes相位跟踪方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一、初始化系统参数；
步骤二、在增益参数的取值范围内，分别选择不同的增益参数，每次选择增益参数后，估计周期时间内所有采样点的交流信号的平均功率，根据平均功率得到各增益参数对应的系统能量；
步骤三、计算系统能量最大值与最小值的差值，若所述差值超过3dB，则选出最小系统能量对应的增益参数作为最终选择的增益参数；若所述差值未超过3dB，则直接将增益参数可取的最小值作为最终选择的增益参数。
6.根据权利要求5所述的参数自适应的高速SerDes相位跟踪方法，其特征在于，还包括步骤四，步骤四包括：延时后对CDR是否锁定进行判决，若未成功锁定，则返回步骤二重新选择增益参数直到CDR成功锁定；若成功锁定，则增益参数保持不变。
7.根据权利要求6所述的参数自适应的高速SerDes相位跟踪方法，其特征在于，步骤四中，CDR锁定判决方法包括：比较统计周期内原始数据波形的上升沿个数与恢复数据采集并解复用后波形的上升沿个数，若不一致，说明未成功锁定；若一致，说明成功锁定。
8.根据权利要求5或6所述的参数自适应的高速SerDes相位跟踪方法，其特征在于，步骤一中的系统参数包括鉴相器增益KPD、判决器增益KV、频率参数KI及相位参数KP，系统参数的初始值的设定方法为：
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9.根据权利要求5或6所述的参数自适应的高速SerDes相位跟踪方法，其特征在于，步骤二中，通过公式（5）估计周期时间内所有采样点的交流信号的平均功率，各增益参数对应的系统能量为平均能量或总能量，平均能量直接取平均功率，总能量由公式（6）计算得到，
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10.根据权利要求5或6所述的参数自适应的高速SerDes相位跟踪方法，其特征在于，若SerDes系统存在扩频时钟，在扩频时钟开启的情况下，直接将增益参数取最大值，无需执行步骤二、步骤三。
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2023
- 2023-03-31 CN CN202310332386.5A patent/CN116054990B/zh active Active
Patent Citations (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN114615116A (zh) * | 2022-05-13 | 2022-06-10 | 南京沁恒微电子股份有限公司 | 一种通信协议自适应信道均衡器及其均衡方法 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN116054990A (zh) | 2023-05-02 |
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