PCIe Electrical PHY(3)-SerDes电路基本结构

1.1 SERDES电路结构

目前主流的基于analog-DFE的SerDes结构如下。主要包括4个模块：TX/RX/PLL/CDR。其中TX/RX完成信号的传输、均衡和接收，PLL产生发射端的时钟，CDR产生接收端的时钟。
均衡电路结构基本上主流厂家均选择在发射端采用FFE，接收端首先通过CTLE进行一定程度的信道补偿，最后将均衡的的主要任务放在DFE上。

随着PAM4调制信号的应用，analog-based SerDes架构设计复杂度急剧增加，多数厂商倾向于采用ADC-based RX架构。即在RX中首先用VGA对信号幅度进行控制，然后直接用高速ADC采样，然后在数字域做FFE+DFE均衡。

1.2 PLL

带宽影响输出时钟的jitter，但其带宽并不是越大越好，或者越小越好。
扩频调制本质上就是对信号进行调制，根据信号系统原理，x(t)m(t)两个信号相乘就是调制波m(t)对载波x(t)进行调制。
最常见的ssc的产生方式就是对Feedback divider的系数N进行调制，使N产生周期性变化。

1.2.1 SSC

三个主要的控制参数来满足扩频指标，调制速度（Modulation Rate, MR）、调制深度（Modulation Depth, MD）和调制方式(Modulation Profile, MP)

• 调制速度（MR）指时钟发生器输出频率在设定调制频率范围内的变化速度。一般调制速度会远小于时钟发生器的低通带宽，以防止扩频信息被低通破坏。而实际应用中考虑到对人耳的噪声伤害，各类通信协议会规定调制速度在几十到几百千赫兹的量级，例如PCIe规定调制速度为30-33KHz
• 调制深度（MD）也称调制比例，指时钟发生器输出频率以调制速度偏移主频的大小。以偏离主频的频率大小Δf相对主频频率fc的百分比（%）来定量表示调制深度。当以频谱分析仪观察能量分布在主频频谱的两侧、左侧或右侧时，分别称为中间扩频（Centre Spread）、向下扩频（Down Spread）、向上扩频（Up Spread）
• 调制方式（MP）指实现不同调制频率频谱表现形式的调制波形，具体映射到了时钟发生器输出频谱平坦程度。最常用的是三角波线性调制。

1.3 CDR

CDR的结构主要有2种，一类是PLL-based，一类是PI-based。
目前在传输速率很低的SerDes系统中，通常采用ringosc-based CDR，可以做到很低额功耗。但是在10Gbps以上的SerDes系统中主流方案均采用PI-based CDR。其好处在于多个lane中TX/RX可以share同一个PLL，TX直接用PLL输出做时钟，RX将PLL时钟在local经过DLL产生多相位，再经过PI（相位插值器）得到预期的相位。
目前市面上10Gbps~56Gbps的主流SerDes产品几乎都选择dual-loop PI-based CDR。

1.3.1 All-digital CDR框图

下图为analog CDR与digital CDR的类比，以及digital CDR线性化之后的传输函数模型。

1.3.2 Jitter tolerance (JTF)

改动cdr的环路参数主要影响jitter tolerance，即Sj mask曲线的形状。

下面依次介绍CDR环路增益函数中每个参数。

1.3.3 BBPD的原理

K_BB为PD的线性化增益，根据选取概率模型的不同而不同

1.3.4 Decimation

K_D主要是为了降低DLF逻辑电路的时钟频率，从而降低功耗，主要方式有summing或者voting

1.3.5 PI的原理

K_DPC为PI的精度，假如PI为(N+D_P) bits，则K_DPC=1/2^(N+D_P)


PI的输入相位越多，等效插值出来的相位幅度越接近与单位圆

1.3.6 DLF比例通路，积分通路的原理

比例通路是快通路，对环路的快速动态变化做出相应，该通路的latency要尽量小；
积分通路是慢通路，主要补偿低频的频率偏移，比如SSC。
DLF的函数可能是时变的，上电训练阶段比例通路增益很大，快速收敛，然后再打开积分通路。

1.3.7 一个例子

Frug: 1x/2x/4x * 2^-6(15bit 累计器丢掉6bit)
Phug: 8x * 2^-6 = 2^-3