零成本SerDes系统信道仿真

高速数字(HSD)发射(Tx)和接收(Rx)电路必须由信号完整性工程师根据IBIS标准转换为IBIS- ami模型，以便在SerDes信道模拟器中使用，以评估其系统裕度。通常情况下，市场上的各种商业频道模拟器每年的租赁或拥有费用为数千美元。现代SerDes通道模拟技术和SerDes Tx/Rx建模过程已经成熟，因此可以通过SerDesDesign.com上的基于云的工具免费获得。这些工具为信号完整性工程师提供了低成本(零成本)的建模和模拟SerDes系统、自定义建模Tx/Rx设计、使用现有IBIS-AMI模型以及将自定义Tx/Rx设计转换为IBIS-AMI模型的路径。

本文首先给出了在信道模拟器中建模SerDes系统的概述，介绍了SerDesDesign.com上可用的零成本工具，然后给出了一个用Tx和Rx IBIS-AMI模型模拟SerDes系统的示例。

在信道模拟器中建模Serdes系统

根据IBIS开放论坛标准(目前是7.1版)，SerDes系统在带有SerDes通道和IBIS- ami模型的通道模拟器中表示。开云体育官网登录平台网址

图1显示了使用通道模拟器模拟的典型SerDes系统框图。

图1。信道模拟器中的典型SerDes系统表示

这个框图对于任何通道模拟器都是通用的，但是每个工具都有其特定的方式来表示这个框图。这张图在本文中被进一步引用。

这个SerDes系统的组成部分包括以下内容。

• TX IBIS-AMI:
  • 该模型通常包含一个Tx均衡器，通常以前馈均衡器(FFE)的形式，并将差分IBIS缓冲区输出到通道。
  • IBIS缓冲区可以是一个4端口s参数文件。
• Tx包(Tx Pkg)、通道、Rx包(Rx Pkg):
  • 这些部分代表差分通道。
  • 每个部分都是可选的，可以使用s参数文件表示。
• RX IBIS-AMI:
  • 该模型通常包含一个Rx连续时间均衡器(CTLE)、一个时钟和数据恢复单元(CDR)和决策反馈均衡器(DFE)，以及来自信道的差分IBIS缓冲区输入。
  • IBIS缓冲区可以是一个4端口s参数文件。

要记住的一个关键通道模拟器属性是，它认为整个模拟内容(图1中TX AMI部分和RX AMI部分之间的绿色区域(总通道))是线性和时不变的(LTI)。作为一个LTI系统，SerDes系统中的整个微分模拟部分可以用它的单端脉冲响应精确地表示。这一关键概念使信道模拟器能够实现快速的仿真速度。

零成本通道模拟器

市场上有许多流行的信道模拟器(CS)。它们为SerDes信号完整性(SI)工程师提供了一个有价值的工具，用于评估他们的SerDes系统设计，以了解他们的系统在不同条件下的表现。

通常情况下，SI工程师可能无法访问他们公司的CS工具，因为无法获得许可，或者需要与公司中的其他人共享对他们工具的访问权限。

当SI工程师需要在给定的总通道的各种测试条件下评估他们的Tx/Rx IBIS-AMI模型时，有一个零成本的选项可用:基于云的SerDesDesign.com web CS。

已获取SerDes系统CS在这里．

SerDesDesign.com还支持包括光学中继器系统在内的中继器系统。用户需要在网站上免费注册才能使用这些工具。

SerDesign.com CS支持:

• NRZ和PAM-4信号。
• Tx/Rx参数化了ffe和cles的行为模型。
• 从Tx/Rx行为模型生成IBIS-AMI模型。
• Tx/Rx LTI和NLTV IBIS- ami型号(基于IBIS 7.0或更早版本)。
• Tx/Rx抖动(基于IBIS 7.0或更早版本)。
• IBIS极端情况:典型，最小值，最大值。
• AMI的极端情况:典型、慢、快。
• 使用s参数表示Tx IBIS缓冲区，Tx包(Tx Pkg)，通道，Rx包(Rx Pkg)， Rx IBIS缓冲区。
• 信道仿真统计方式。
• 信道模拟逐位模式(支持100e9位/符号)。
• 使用多个并行处理器提高信道模拟速度。
• 显示结果眼密度图，误码率图(定时和振幅浴盆误码率图)，误码率外推，误码率等高线，定时和振幅PDF图，以及各种眼睛指标。
• 为用户访问和模拟分配专用远程服务器。

SerDesDesign.com CS已被用于SerDes系统建模超过五年，并为超过40家高速SerDes半导体公司创建自定义IBIS-AMI模型。下面的示例SerDes系统中并没有讨论上面列出的所有特性。

使用行为模型的PAM4 Serdes系统示例

本节中讨论的SerDes系统基于SerDesDesign工具中配置的行为Tx/Rx模型。该模型与PAM4信令在12.5 GBaud使用。

Tx行为模型是一个FFE，可以在模型初始化期间自动设置为最佳的开眼状态。Tx模型具有与之相关的可选抖动。

Rx行为模型包含CTLE、CDR和DFE。CTLE具有64个状态，每个状态用电路时域波形数据定义。CDR具有参数化特征，包括观测到的抖动传递函数(OJTF)角频率。OJTF定义[6]为系统的相位响应，该系统使用锁相环来生成其参考时钟以检测正在接收的数据位。OJTF具有高通频响应。在OJTF角频率(Fc)以下，输入抖动被跟踪，因此在系统的输出中没有观察到。DFE有水龙头，可以自动和连续适应，以实现最佳的输出大眼。Rx模型具有与之相关的可选抖动。

如图1所示，总通道包括Tx模型、Tx Pkg、通道、Rx Pkg和Rx模型。对于当前的SerDes系统，这些总通道块中的每一个都用s参数文件表示。总信道中间的信道在奈奎斯特(6.25 GHz)频率下有16db的损耗。

采用PAM4数据格式，12.5 GBaud，每个符号32个样本，10万个分析符号，在SerDes.com CS中建立了SerDes系统。在模拟过程中，Tx和Rx模型初始化过程在Rx DFE之前选择最佳开眼的Tx和Rx状态。这些最佳设置显示在SerDes.com消息窗口中。

一旦SerDes系统通道模拟成功设置，可以运行许多模拟来评估Tx/Rx模型的各种状态。经过多次成功的仿真，验证了SerDes系统满足要求。Tx/Rx行为模型可以选择性地转换为IBIS-AMI模型。

图2显示了测试用例1:PAM-4与Tx/Rx IBIS-AMI模型和总通道的结果。

图2。测试用例1:PAM4;Tx +通道+ Rx;SerDesDesign.com眼密度图(左)和时序瀑布误码率图(右)

可以看到，中间的眼睛大约睁开66%。定时瀑布BER图被放大到中心0.5 UI，以更好地显示曲线。误码率曲线显示了原始的(基于蒙特卡罗的)误码率数据(下降到10^-6)以及外推的误码率数据(下降到10^-16)。将两个误码率数据绘制在一起可以显示外推的误码率如何跟踪原始误码率。

上面SerDes系统示例的设置和使用在SerDesDesign.com网站上有文档Example_PAM4_SerDes．

上面的测试用例只是SerDesDesign.com上提供的全功能Tx/Rx行为建模和通道模拟功能的一个示例。

使用TX/Rx IBIS-AMI模型的NRZ Serdes系统

本节讨论的SerDes系统基于为NXP半导体公司和Silicon Creations LLC开发的Tx/Rx IBIS-AMI模型。该模型可用于比特率从1 Gbps到28 Gbps的NRZ信令。为了在本文中进行讨论，比特率为25 Gbps，并使用SerDes.com CS。

NXP Tx SerDes IP的框图如图3所示:

图3。NXP Tx电路设计

该方框图代表了一个3-tap FFE电路，电路包括一个信号路径和具有多个滤波器的控制路径，丝锥增益，面向通道的模上阻抗结构，设计中固有的是分布式非线性。该电路有三种极端情况:典型、慢速和快速。

为了为这个有三个角落的Tx电路创建一个行为模型，Tx电路被视为一个带有刺激/响应波形的黑匣子，可以从中提取电路模型。Tx输出IBIS缓冲器包括芯片上的芯片阻抗，并使用s参数为每个角情况定义。FFE定义为每个角情况下的14个状态的摆动水平，25个状态的前游标(12个负，0,12个正)和33个状态的后游标(16个负，0,16个正)。IBIS-AMI建模方法是基于收集spice电路模拟刺激/响应波形为一组定义的FFE状态。

图4显示了邮政编码设置为11，预码从0扫到12的典型角落情况下收集的波形示例。刺激波形具有NRZ信号的定义比特率和10个0和10个1的重复模式。

图4。NXP Tx电路波形采集

这些响应波形在Tx芯片IBIS缓冲器输出。从响应波形中去嵌入IBIS缓冲特性，得到AMI模型特性。AMI模型将波形转换为一组FFE分接增益、分接延迟和分接滤波，用于模拟中使用的特定比特率和采样率。

因此，结合Tx AMI模型和Tx IBIS模型提供了与Tx电路黑匣子刺激/响应波形数据定义的相同特征。

Silicon Creations Rx SerDes IP的框图如图5所示:

图5。硅创Rx电路设计

该方框图表示了一个具有CTLE、CDR和DFE的接收机，其中有三个角情况。Rx输入IBIS缓冲器包括芯片上的芯片阻抗，并使用s参数对每个角情况进行定义。该Rx电路的行为模型由三个极端情况创建:典型、慢速和快速。

该Rx电路中的CTLE，包括Rx输入IBIS缓冲器，被视为一个具有刺激/响应波形的黑盒，可以从中提取CTLE模型。Rx输入IBIS缓冲器包括芯片上的芯片阻抗，并使用s参数对每个角情况进行定义。CTLE是LTI，每个极端情况有32个状态。IBIS-AMI建模方法基于收集所有Rx CTLE状态的spice电路模拟刺激/响应波形。响应波形在IBIS缓冲器输入处。为了获得Rx CTLE AMI模型特征，必须将IBIS缓冲特性从响应波形中去除。因此，组合Rx IBIS缓冲模型和Rx CTLE AMI模型提供了与Rx IBIS/CTLE黑箱刺激/响应波形数据定义的相同特征。

利用OJTF角频估计Rx电路CDR，对Rx电路CDR进行建模。

Rx电路中的DFE使用5个抽头进行建模，每个抽头都定义了一组状态，由一组抽头代码量化。

如图1所示，整个通道包括Tx IBIS模型、Tx Pkg、通道、Rx Pkg和Rx IBIS模型。对于当前的SerDes系统，这些总通道块中的每一个都用s参数文件表示。IBIS标准7.0版引入了对带s参数的Tx/Rx IBIS缓冲区的支持。总信道中间的信道在奈奎斯特(12.5 GHz)频率下有25 dB的损耗。

采用NRZ数据格式，25gbps，每比特32个样本，100,000个分析位，SerDes系统建立在SerDes.com CS中。

用这些测试用例运行模拟:(2)总通道和Rx， (3) Tx，总通道和Rx。在每次模拟过程中，Tx和/或Rx模型初始化过程在Rx DFE之前选择最佳的Tx和/或Rx状态。这些最佳设置显示在SerDes.com消息窗口中。

一旦SerDes系统通道模拟成功设置，可以运行许多模拟来评估Tx/Rx模型的各种状态。经过多次成功的仿真，验证了SerDes系统满足要求。

测试用例2。与Rx和总通道:眼约36%的开放，如图6所示。

测试用例3。与Tx/Rx和总通道:眼约56%打开如图7所示。

与上述类似的SerDes系统示例的设置和使用在SerDesDesign.com网站上有文档Example_NRZ_IBIS_AMI_SerDes．文档示例不使用NXP或SiliconCreations IBIS-AMI模型，而是使用从SerDesDesign.com网站创建的其他IBIS-AMI模型。

上面的测试用例只是SerDesDesign.com上提供的全功能通道模拟功能的一个示例

使用Serdesdesign.com与另一个频道特性

有时，上面描述的SerDes系统是在另一个常见的通道模拟器中设置和模拟的，例如Keysight自动借记系统(ADS) CS。但是，在许多测试条件下运行模拟所需的ADS许可证可能不可用。

在不同的CS工具中设置SerDes系统设计时，一个关键问题是每个CS工具都不能给出相同的结果。这一事实已经被许多人观察到，特别是Xilinx公司的Romi Mayder在2015年DesignCon会议上报道了业界前6个EDA通道模拟器。每个工具都给出了广泛变化的s参数脉冲建模以及广泛变化的信道误码率性能[1]。这篇论文虽然过时了，但今天仍然适用。其他观察结果已发布在[2][3]网站上。在不同的CS工具中获得相同仿真结果的关键是使用相同的总通道脉冲表征。

幸运的是，通道脉冲响应可以从CS工具导出。

这样的脉冲响应，例如来自Keysight ADS通道模拟器，可以导入SerDesDesign.com CS工具[4]。因此，SI工程师可以在CS工具中免费探索其Tx/Rx IBIS-AMI模型的状态空间。

SerDesDesign.com CS工具中的结果(本质上)将与在原始CS工具中获得的结果相同。这种相似性是因为所有AMI模型都是确定的，并且在每个CS工具中执行相同的操作。每个CS工具的主要区别是它们对总通道的描述。当在另一个CS工具中使用一个CS工具的相同总通道脉冲响应时，这种差异就被消除了。

理想情况下，从CS工具得到的总通道脉冲响应没有高频混叠(如SerDesDesign.com工具)。不幸的是，有时信道脉冲响应从另一个CS工具有很多高频混叠。对于上面的测试示例，从Keysight ADS CS导出的脉冲响应如图8所示(左为时域;频域，对)。

由于模拟比特率为25 Gbps，每比特使用32个采样，因此模拟时间步长，tstep = 1/25e9/32 = 1.25e-12秒。在此tstep下，采样率= 1/tstep = 800 GHz。在此采样率下，时域信号的频率含量可达(采样率)/2 = 400ghz。这些图来自ADS数据显示，其中ADS fs()函数用于从时域脉冲波形中推导频域响应。

注意两个图中的高频混叠。在频域图中，在s参数上频值40ghz以上可见高频混叠。高水平的高频混叠可能会对SerDes系统分析结果产生负面影响。

例如，在ADS和SerDesDesign.com CSs中使用带有此ADS脉冲响应和Rx模型的测试用例2会产生如图9所示的眼密度图，左侧为ADS，右侧为SerDesDesign.com。

图9。ADS(左)和SerDesDesign.com(右)中含有ADS通道脉冲和Rx模型的SerDes系统眼密度图

幸运的是，SerDesDesign.com包含一个抗混叠功能，可以与具有高频混叠的导入脉冲响应一起使用。在这种情况下，可以启用抗混叠滤波器，拐角频率设置为s参数上频;这里是40ghz。该滤波器在40ghz时不会产生任何衰减，但在60ghz时产生3db衰减，在80ghz时产生200db衰减。当应用时，将不再有任何高频混叠，所得到的眼密度图将与上图6所示相同。

有时，即使信道脉冲响应有很多高频混叠，当Tx和Rx模型组合提供足够的滤波来抑制高频混叠时，它变得无关紧要。

对于Tx模型、ADS脉冲响应和Rx模型的测试用例3来说也是如此。在ADS和SerDesDesign.com CSs中，眼密度图基本相同，如图7所示。

结论

SerDes CS以及Tx/Rx IBIS-AMI模型通常被SI工程师用来评估SerDes系统的裕度。通常情况下，市场上的各种商业CS工具每年都要花费数千美元来租用或拥有。SI工程师可能无法访问他们公司的CS工具，原因是无法获得许可证，或者需要与公司中的其他人共享对他们的工具的访问权限。

今天，SerDes通道模拟技术和SerDes Tx/Rx建模过程已经成熟，因此可以使用SerDesDesign.com上的基于云的工具免费获得这两者。

本文回顾了SerDesDesign.com上可用的工具，这些工具为SI工程师提供了一个低成本(零成本)的方法来建模和模拟SerDes系统。SerDesDesign.com上的免费工具包括行为建模SerDes Tx/Rx设计，以及根据IBIS标准使用Tx/Rx IBIS- ami模型。SI工程师甚至可以从另一个CS工具中导入通道脉冲特性，并得到与他们的其他工具相同的结果。SerDesDesign.com还提供收费功能，包括将Tx/Rx行为设计转换为IBIS-AMI模型[5]。

通过使用SerDesDesign.com上提供的零成本工具，当SI工程师无法使用昂贵的内部CS工具时，他们有了一个易于使用的替代方案。

鸣谢

请Jon Burnett和NXP允许他们引用为他们创建的IBIS-AMI模型，并使用他们的Keysight ADS CS副本。Blake Gray和Silicon Creations被允许引用为他们创建的IBIS-AMI模型，并使用他们的Keysight ADS CS副本。

参考文献

1. Romi Mayder, r.m.， et al.(2015, 1月)。IBIS-AMI模型模拟六个EDA平台．Xilinx。
2. 巴布斯基，J.(2016)。SerDes_Channel_Impulse_Modeling_with_Rambus．John Baprawski公司
3. 巴布斯基，J.(2016)。SerDes_Channel_Impulse_Modeling_with_SignalMetrics．John Baprawski公司
4. Baprawski, J.(2021)。使用ADS脉冲响应．John Baprawski公司
5. Baprawski, J.(2021)。SerDesDesign_Tools中的功能摘要．John Baprawski公司
6. Schnecker, M.(2009)。时钟电路中的抖动传输测量．LeCroy合作。DesignCon 2009。