加速串列解串列器模擬

作者：Mike Woodward與Tim Reeves，MathWorks公司

串列解串列器(SERDES)數據處理速率差異很大。在低階市場，SERDES系統常用於汽車後視鏡照相系統，其數據傳輸速率通常小於1Gbps。在高階市場，它們被用在寬頻網路光纖路由器，數據速率高達10Gbps或甚至更快。

SERDES的設計人員都會使用到準確但大量密集運算的SPICE模擬器。而使用SPICE模擬器來模擬SERDES裝置，在超過10Gbps的數據傳輸速率下執行是非常耗時的，除了限制各種開發及設計的可能性，甚至導致因為設計錯誤所增加的成本。

為了加速模擬，設計人員轉而採用一個更快的方法：由上到下設計。由上到下的設計採用一種行為模型，可加速模擬系統的性能，因此設計人員可以快速評估設計方案，而將SPICE模擬用來測試那些具有較佳性能的設計即可。在本文中，我們使用Simulink建立SERDES模型，並展示由上到下設計流程，了解該模型如何協助減少模擬的時間。

為什麼採用SERDES？

有些通訊系統透過交互通道發送序列資料，例如網路資料透過光纖電纜和汽車後視鏡照相系統以雙絞線發送。由於電子系統使用平行處理數據，系統需要可將序列轉換為串列的方法，反之亦然。

圖1：基本的SERDES系統圖

通道傳輸訊號時會造成訊號失真，例如，失真的脈衝或未知性延遲。SERDES由通道接受到的訊號必須要是能夠同時支援類比和數位訊號處理以重建該訊號。因此，SERDES是一個混合訊號裝置。

模擬目標

為了建立一個具代表性的系統，我們採用10Gbps的傳輸速率並整合傳送端與接收端，包括抖動、通道建模、串擾、時脈、數據恢復、8b/10b編碼/解碼與等化(圖2)。目標是要在四核心筆記型電腦上建立一個模型，在10分鐘內模擬1微秒(ms)數據值的能力。

圖2：Simulink SERDES的完整模型

資料傳輸與通道建模

因為系統需要與特定的背板搭配，第一步得先建立背板模型。使用量測到的背板數據是16通道形式且單端的S-參數。這是一個大型的數據資料，它會大幅減慢模擬速度。

為了加速模擬速度，我們建立一個更簡潔的模型，從前向通道和串擾通道擷取兩端的背板數據，並使用RF Toolbox的合理擬合函數，將Laplace區域模型去適應該數據子集。這個簡潔模型仍可精確表達所測量到的數據，但它執行速度比使用完整的S參數數據還快。

隨機選擇正向通道和交叉耦合通道的數據源，並為這兩個通道進行8b/10b的編碼。接著導入抖動到發射器，作為前饋等化濾波器，並在加入方均根值(RMS)和峰對峰值(Peak-to-Peak)抖動回報到模型。

由於通道會使訊號失真，導致符號間干擾(ISI)，因而使用濾波器以協助保持訊號的完整性。該濾波器設計建立在線性非時變系統通道的假設上。可將濾波器分成兩部分，在通道前後同時放置。後通道濾波器是等化過程的一部分。前通道濾波則採用三抽頭FIR濾波器的預加重濾波器。預加重濾波在訊號中心抑制ISI。

設計等化器

等化器由兩個部分組成。首先是一組標準的類比導通濾波器提供粗粒等化。第二個(混合訊號等化器)則提供更精細的等化以降低ISI產生的影響，並採用內部和外部反饋。外部反饋來自重建時脈模組，而內部反饋來自反饋等化器的濾波器(圖3)。前饋等化器(FFE)和反饋等化器(FBE)皆使用FIR濾波器，並使用通訊系統工具箱來計算參數。

圖3：前饋等化器與反饋等化器。