基于 TI TLK10002的 SERDES FIFO 溢出的解决方案

作者：李俊明

摘要
分布式基站系统中，RRU 通常会通过光纤拉远实现与 BBU 的远程互联。由于光纤自身的特性，传输过程中必然会引入抖动和漂移；尤其是漂移，因其低频特性，并且难于滤除，在SERDES 的 FIFO 深度不够的情况下有可能会造成 FIFO 的溢出。
本文首先会对这个问题进行一般性地分析，在此基础上我们将以德州仪器公司 10G SERDES 器件 TLK10002 为例，提出一个新的解决方案，即采用双时钟模式提供 SERDES系统时钟，并且探讨了这种模式的具体实现方式。同时，为了验证双时钟方案的可行性，我们搭建了相应的测试平台，并给出了相应的测试结果。

1、光纤漂移引起的 SERDES FIFO 溢出问题分析

1.1 漂移及漂移形成的原因
漂移是一个数字信号的有效瞬时在时间上偏离其理想位置的，非累计性的偏离。所谓的"长期的偏离"是指偏离随时间较慢的变化，通常认为变化频率低于 10Hz 就属于较慢的变化。

实际数字信号存在的相位噪声，抖动时相位噪声的高频成分，漂移是相位噪声的低频成分，工程中以10Hz 来划分高、低频。产生这两种频率成分的机理有所不同。产生低频成分，也就是产生漂移的主要原因是传输媒质和设备中传输时延的变化，例如光纤白天受热变长，时延增加，信号迟到，相位滞后；光纤夜间受冷变短，时延减少，信号早到、相位超前。产生高频成分，也就是产生抖动的主要原因是内部噪声引起的信号过零点随机变化，例如振荡器输出信号的相位噪声，数字逻辑开关时刻的不确定性等。

漂移不会直接导致传输产生误码，因为传输设备的恢复时钟电路能跟踪相位的慢变化。漂移幅度变化虽慢，但长期累积幅度可能高达 1000UI[3]。

1.2 漂移引起的 SERDES FIFO 溢出问题分析

一个典型的 BBU 和 RRU 系统级联方案如图 1 所示，在 RRU 一侧，由于 JC PLL（主时钟芯片）会自动跟踪输入的串行数据流，当输入频率发生变化时，JC PLL 会调整输出频率以匹配输入频率的变化。在这个跳变瞬间，如果 SERDES 的 FIFO 的读写速率可能不一致，导致 FIFO 的冲突，从而造成溢出。但是，通过选择跳变速度足够快的 JC PLL，这种溢出是完全可以避免的，而一旦JC PLL 锁定到输入数据流，FIFO 读写工作在同一速率，就不会存在溢出问题。

在 BBU 一侧，值得注意的是时钟信号的抖动，尤其是漂移引起的 FIFO 溢出。如果这种漂移来自于 BBU 自身的参考时钟，由于输入数据数率是与 BBU 速率匹配的，不会造成任何问题； 但是，如上节所阐述的，光纤的温漂等特性有可能引入新的漂移，如果 RX FIFO 两侧工作在不同的时钟域， 这种光纤引入漂移会造成 SERDES 内部 FIFO 的碰撞，FIFO 自身的深度如果不足以吸收这种碰撞，就会引起 FIFO 溢出。

2、BBU SERDES 双系统时钟方案及具体实现

2.1 TLK10002 内部时钟架构
TLK10002 是德州仪器公司推出的双通道 10G SERDES 芯片，它可以支持目前所有的 CPRI 和OBSAI 速率，从 1.2288Gbps 到 9.8304Gbps，因而特别适合无线基站的应用。

TLK10002 内部的时钟架构如图 2 所示，它的 A/B 通道可以通过 REFCLK0P/N 或者REFCLK1P/N 管脚来提供参考时钟，这两个参考时钟的选择可以通过 MDIO 或者REFCLKA_SEL 和 REFCLKB_SEL 管脚来实现。

高速侧 SERDES 的 CDR 主要用于从输入串行数据中恢复时钟信号，恢复的时钟信号从CLKOUTAP/N 和 CLKOUTBP/N 输出。输出信号频率有多种选择：通过寄存器配置，用恢复时钟频率除以 1, 2, 4, 5, 8, 10, 16, 20, 或者 25 均可。

对于每个通道而言，高速侧 SERDES 和低速侧 SERDES 可以工作在一个时钟域，即两者使用同一参考时钟；同时，TLK10002 也提供了另外一种时钟模式，即高速侧 SERDES 和低速侧SERDES 使用不同的参考时钟，这种情况下，高速侧锁相环和低速侧锁相环会工作在不同的时钟域。

图 2 TLK10002 内部时钟架构

2.2 TLK10002 双时钟系统方案
基于双时钟 TLK10002 构建的系统级联方案如图 3 所示。在这种方案中，TLK10002 高速侧SERDES 和低速侧 SERDES 采用不同的参考时钟。

在 BBU 一侧，高速侧锁相环采用本地的参考时钟，一旦高速侧锁相环锁定，并且 BBU 和 RRU 之间建立稳定的链路，BBU 一侧 TLK10002 的 CDR 会有稳定输出，这个输出给 BBU 上的 Jitter Cleaner 提供参考输入。 一旦 Jitter Cleaner 正常锁定，它的输出又会作为低速侧锁相环的参考输入。

采用这种配置，由于 SERDES 本身可以处理最高 200ppm 的频率偏移，发射和接收通道的速率是完全相互独立的。这样，FIFO 的两侧完全工作在同一时钟域，FIFO 就不会存在溢出的风险。在这种情况下，FIFO 仅仅用来吸收不同时钟之间的相位偏移和补偿 jitter cleaner 的跟踪能力。

2.3 双系统时钟方案的具体实现

以 BBU 一侧为例，双系统时钟方案具体实现方式如下图 4 所示。在这个方案中，由于 LMK04808具有超低相位噪声特性，我们使用它作为抖动消除器。

图 4 采用双时钟方案构建 BBU SERDES 系统

对图 4 所示的系统，系统配置及操作顺序如下：
1) 正常配置 TLK10002 0X00 到 0X0D 寄存器。
2) 等待 TLK10002 高速侧锁相环 HS PLL 正常锁定。//只要本地参考时钟准备就绪，高速侧锁相环即可锁定（此时并不需要建立稳定的 10G 链路）。
3) 切换 TLK10002 ENRX：先置为 0，再置为 1。//使 HS SERDES 自适应链路状况。
4) 等待 10ms。 //等待 HS SERDES 设置参数，确保 CDR 为 LMK04808 提供有效的参考时钟。
5) 配置 LMK04808 确保其正常锁定。
6) 等待 TLK10002 低速侧锁相环 LS PLL 正常锁定。//只要 LMK04808 锁定并且正常输出，LS PLL 就可以正常锁定
7) 重启数据通路。//此时，低速侧和高速侧 SERDES 都具有有效时钟，重启数据通路可以优化 FIFO的指针位置和触发低速侧 Lane 重新对齐

3、双系统时钟方案实际测试
    
3.1 测试设置
TLK10002 双系统时钟方案测试设置如图 5 所示。J-BERT 用来产生 9.8304Gbps 的 PRBS7 测试信号，在这个信号上会加载 45ps 的宽带随机抖动；VXI Clock Generator 用于产生 122.88MHz 的本地时钟，作为 TLK10002 高速侧锁相环的参考时钟；LMK04808 作为本地的 Jitter Cleaner，采用 LMK04808 评估板默认的配置，TLK10002 CDR 输出 122.88MHz 信号作为 LMK04808 参考输入，LMK04808 输出的 122.88MHz LVPECL 信号作为 TLK10002 低速侧锁相环的参考时钟；TLK10002 配置成 9.8304Gbps PRBS 测试模式，发射通道采用默认的设置；高速示波器用于观测 TLK10002 发射通道输出 9.8304Gbps 高速串行信号。

在 A、B、C、D 四个测试点，我们将分别测试 TLK10002 串行输入信号眼图、TLK10002 恢复时钟信号相噪、LMK04808 输出信号相噪以及 TLK10002 发射机输出眼图。

 

图 5 TLK10002 双时钟系统方案测试设置

3.2 实测结果
TLK10002 串行输入信号眼图如图 6 所示，它的随机抖动（Rj）为 2.98ps，确定抖动（Dj）为4.23ps，总的抖动（Tj）为 44.98ps，通常，这种类型的宽带随机抖动是很难通过均衡来消除的。
 

TLK10002 恢复时钟输出相噪曲线如图 7 所示，采用图 6 所示的输入信号，TLK10002 的恢复时钟 RMS 抖动为 3.98ps（1KHz~20MHz）。

 

LMK04808 输出相噪如图 8 所示，可以看到在通过 Jitter Cleaner（LMK04808）之后，由于LMK04808 的强劲抖动消除能力，其输出 RMS 抖动仅为 121fs（1KHz~20MHz）。

 

TLK10002 发射通道输出眼图如图 9 所示，其随机抖动（Rj）为 1.02ps，确定抖动（Dj）为5.79ps，总的抖动（Tj）仅为 19.6ps，眼图清晰。

 

4、结论

    由上述理论分析和实际测试结果可以清楚地看到由 TLK10002 、LMK04808 构建的双时钟系统方案完全可以避免因光纤引入漂移从而导致 SERDES FIFO 溢出的问题；同时，由于发射机眼图主要是由本地参考时钟的相噪决定，采用这种双时钟模式对眼图以及发射机输出噪声性能没有影响。

5、参考文献

[1] TLK10002 Datasheet
[2] LMK04808 Datasheet
[3] 光同步传送网和波分复用系统, 邓忠礼，清华大学出版社