TLK6002/10002 Local Deep Loopback 的原理及注意事項(xiàng)

Peter Wei

摘要

TI 提供的TLK6002, TLK10002 等多種速率的通用Serdes 芯片，在不同的領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。特別在光纖拉遠(yuǎn)的應(yīng)用中，由于TLK6002, TLK10002 獨(dú)特的配置靈活性和優(yōu)良的適配寬容度，已成為業(yè)界的主流配置。

TLK6002, TLK10002 所提供了包括“近端深度環(huán)回”，“近端淺度環(huán)回”，“遠(yuǎn)端深度環(huán)回”和“遠(yuǎn)端淺度環(huán)回”在內(nèi)的多種環(huán)回模式，方便設(shè)計(jì)者在調(diào)試過程甚至在實(shí)際使用中迅速定位故障來源，降低了開發(fā)的難度，并提高了目標(biāo)設(shè)備的易維護(hù)性。

不同的環(huán)回模式僅僅需要通過對于單個的配置寄存器配置即可實(shí)現(xiàn)。但在實(shí)際的使用案例中，我們往往發(fā)現(xiàn)當(dāng)TLK6002, TLK10002 與光模塊相連時，在使用“近端深度環(huán)回”模式時，存在一定的失敗幾率，誤碼率較高，而這時候切換至“正常通路”模式后，往往系統(tǒng)工作正常，并不存在誤碼率過高的問題。

本篇應(yīng)用手冊將對這一現(xiàn)象進(jìn)行討論，并提出解決方案。

1 TLK6002/TLK10002 環(huán)回模式介紹

TLK6002/TLK10002 作為業(yè)界領(lǐng)先的獨(dú)立通用Serdes 芯片，由于速率靈活可配，被廣泛的應(yīng)用在不同的領(lǐng)域。特別在光纖拉遠(yuǎn)的應(yīng)用，成為了獨(dú)立通用Serdes 的不二選擇。

由于在光纖拉遠(yuǎn)的應(yīng)用中，出現(xiàn)誤碼時需要分段逐級排查，來定位系統(tǒng)中產(chǎn)生誤碼的位置，再進(jìn)一步的調(diào)試維護(hù)解決問題。

TLK6002/TLK10002 提供了豐富的環(huán)回模式。

a. 近端深度環(huán)回，從并行到并行方向，鏈路經(jīng)過了Serdes 內(nèi)部，除高數(shù)CML 緩沖器之外的所有電路部分；

b. 近端淺度環(huán)回，從并行到并行方向，鏈路僅經(jīng)過8b/10b 的編解碼機(jī)，隔離了芯片內(nèi)部的串行解串的電路部分；

圖二 近端淺度環(huán)回

c. 遠(yuǎn)端深度環(huán)回，從串行到串行方向，鏈路經(jīng)過了Serdes 內(nèi)部所有電路部分；

圖三 遠(yuǎn)端深度環(huán)回

d. 遠(yuǎn)端淺度環(huán)回，從串行到串行方向，鏈路經(jīng)過了Serdes 內(nèi)部，除并行FIFO 之外的所有電路部分；

圖四 遠(yuǎn)端淺度環(huán)回

2 TLK6002/TLK10002 近端深度環(huán)回在與光模塊相連時的應(yīng)用實(shí)例

在光纖拉遠(yuǎn)的應(yīng)用中，由于距離較近，因此多使用近距離的SFP+ 6Gbps ~ 10Gbps 規(guī)格的光模塊。

a. SFP+光模塊的結(jié)構(gòu)與特性

由于SFP+是一種無CDR 的光模塊，因此在接收方向的整條鏈路中，僅僅實(shí)現(xiàn)光電管IV 變換后對電壓波形進(jìn)行線性或限幅放大，將串行的光信號轉(zhuǎn)化成為串行電信號。因?yàn)樵跀?shù)據(jù)的恢復(fù)應(yīng)用中，對于輸入眼圖有嚴(yán)格的限定，因此為了保證達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)的限定，鏈路中IV 變化率和電壓的增益均較高。TLK6002/TLK10002 輸入端的CML

以在市場上主流的SFP+方案為例，ONET8531T，TIA，作為IV 變換級，提供了高達(dá)4.5K 的跨阻；而ONET8501PB 作為放大器，對于小信號提供了高達(dá)34dB 的增益。

當(dāng)有光信號輸入到光模塊時，因?yàn)門IA 和限幅放大器中的AGC 自動增益控制電路的作用，線路增益將會以實(shí)現(xiàn)擺幅為目的的壓縮，因此我們能夠得到一個低噪聲的串行電信號。

而當(dāng)光信號被關(guān)閉，由于ROSA 中的PIN 管暗電流的存在，會向TIA 輸出噪聲電流。因?yàn)榘惦娏鬏^低，所以無論TIA 的跨阻以及限幅放大器的增益均會被AGC 調(diào)高至較大值，而經(jīng)過IV 變化和限幅放大器的轉(zhuǎn)換放大以后，在光模塊的輸出端我們便能夠觀察到幅度較高的熱噪聲。

由于光模塊內(nèi)的噪聲，以及PCB 板上存在的各種串?dāng)_噪聲等，導(dǎo)致在SerDes 接收端管腳有一定幅度的隨機(jī)噪聲輸入。

b. TLK6002/TLK10002 近端深度環(huán)回模式下內(nèi)部的狀態(tài)

因?yàn)閺囊话阋饬x上來看，系統(tǒng)排查工作存在著單步變化的要求，因此近端深度環(huán)回被設(shè)計(jì)成為如下圖所示的物理層的單個開關(guān)的連通，這樣在保證所有狀態(tài)機(jī)不變的情況下，允許系統(tǒng)將輸出的串行信號輸入到接受通路。

圖六 TLK6002/TLK10002 近端深度環(huán)回內(nèi)部連接

而在這個狀態(tài)下，因?yàn)槠渌�電路均保持使能，因此TX 方向，CML 驅(qū)動器保持使能狀態(tài)，能夠向外部輸出信號； RX 方向的CML 驅(qū)動器也保持使能狀態(tài)，輸入信號經(jīng)過驅(qū)動器后，與環(huán)回信號疊加，輸送給Serial to Parallel 部分。

c. CML 驅(qū)動器對于輸入噪聲的響應(yīng)

CML 電平在高速信號中被廣泛的采用，由于各個國際標(biāo)準(zhǔn)化組織并沒有針對它出臺嚴(yán)格的標(biāo)準(zhǔn)，因此在實(shí)際的應(yīng)用中，芯片級的實(shí)現(xiàn)存在著稍許不同。但由于電路應(yīng)用已經(jīng)成熟，因此形成了相對統(tǒng)一的電路架構(gòu)。

如下圖所示，CML 的緩沖器，以差分放大器的形式構(gòu)成。對于高于閘值的高低電平能夠使得差分對管導(dǎo)通或截止，來得到高低電平的變換，而對于小于閘值的信號來說，將以由MOS 管跨導(dǎo)，Rdn 以及負(fù)載電阻，和Issn 決定的放大倍數(shù)進(jìn)行放大。

圖七 CML 驅(qū)動器架構(gòu)及耦合方式

如果需要關(guān)閉CML 驅(qū)動器的輸出，則需要將差分輸入的兩端接到固定的電平上。

d. CDR 誤碼的接收

由上面的分析我們可知，在實(shí)現(xiàn)近端深度環(huán)回時，如果光模塊仍然與TLK6002/TLK10002 相連，光模塊噪聲傳送給TLK6002/TLK10002，而由于這個狀態(tài)下RX 方向的CML 驅(qū)動器仍然處于使能狀態(tài)，因此這個噪聲將被放大后與環(huán)回方向來的正常信號疊加，傳送給CDR。

由于CDR 對于輸入信號的眼圖有一定的要求，而疊加了噪聲的信號顯然不能滿足這一要求，因此CDR 會產(chǎn)生大量誤碼使得環(huán)回失敗。

3 TLK6002/TLK10002 近端深度環(huán)回的實(shí)現(xiàn)方法

綜上所述，由于需要防止RX+/-端產(chǎn)生的噪聲被疊加在環(huán)回信號上輸送給Serdes 的CDR，才能確保環(huán)回的正確進(jìn)行。因此理論上需要將CML 驅(qū)動器置于Idle 狀態(tài)。

TLK6002/10002 可以斷開SFP+的連接，并將RX+/-接至高電平，能確保CML 驅(qū)動器進(jìn)入Idle 狀態(tài)，從而實(shí)現(xiàn)深度環(huán)回的正常進(jìn)行。