高速SerDes的IBIS-AMI建模

逍遥设计自动化

引言
% M& R) i2 V5 o9 ^随着高速串行链路数据速率突破100 Gb/s，SerDes（串行器/解串器）建模与仿真面临新的挑战，特别是在基于ADC的架构方面。本文深入探讨现代SerDes实现的IBIS-AMI建模实用方法[1]。
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& G0 u1 F) |  J4 o* Y/ {4 n. `9 v6 b传统与基于ADC的SerDes架构对比
* A* y$ j# |' F- X6 X在传统的模拟中心接收器中，信号通过连续时间线性均衡器(CTLE)、前馈均衡器(FFE)和判决反馈均衡器(DFE)各级处理。这种架构已经得到传统IBIS-AMI建模方法的充分支持。

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图1：传统模拟中心接收器架构，展示了通过CTLE、FFE和DFE各级的信号流，模拟域处理在设计中占主导地位。
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现代基于ADC的SerDes架构与传统方法有显着区别。基于ADC的架构将均衡分为模拟域和数字域，实现更复杂的数字处理，同时引入新的建模挑战。

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图2：基于ADC的接收器架构，展示了混合模拟-数字方法，包括时间交错ADC和并行DSP处理。

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基于ADC的SerDes建模方法
针对基于ADC的SerDes特性，形成了两种主要建模方法：

1. 基于COM的建模：该方法优先考虑准确的性能表示，同时抽象架构细节。遵循IEEE 802.3和OIF CEI等标准中使用的信道工作余量(COM)理念。
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; y; Y, ~2 ~# `+ U, D4 g( ?图3：COM信道符合性工作流程，展示了参数化模型、统计仿真和性能评估之间的相互作用。
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- J* ~, }8 H  D  L" S$ ?2. 基于架构的建模：该方法保持对实际SerDes实现的保真度，同时解决与仿真工具的接口挑战。

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. z9 ]$ g; b; M% P+ a: H) P图4：提出的基于ADC的IBIS-AMI接收器模型，展示了ADC量化效应的集成，同时保持IBIS兼容性。
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- A9 R6 r( v" w, Z5 M, b7 a* v+ a% v6 u时间交错ADC架构需要特殊的建模考虑。多个ADC以分数速率运行，以实现所需的采样率，同时保持实际实现的约束。

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图5：时间交错ADC采样时序图，说明多个ADC通道以降低速率运行的关系。

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MLSE高级建模考虑
8 ?5 F3 R7 d5 {) ^- w8 f最大似然序列估计(MLSE)与传统均衡方法有显着不同。MLSE不是试图消除符号间干扰(ISI)，而是利用已知的ISI特性来改善误码率(BER)性能。
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图6：接收器脉冲响应对比，展示了传统DFE均衡与MLSE调理对ISI处理的不同方法。

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% Z* ]8 K0 C, t& E6 q模型相关性与验证
2 b) T0 B; O/ Z基于ADC的SerDes模型的实际验证需要与测量数据仔细对比。信噪比(SNR)和误码率(BER)之间的关系提供了模型验证的可靠框架。

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9 v  e* p6 V9 P2 X" L2 b$ f图7：NRZ和PAM4调制的SNR-BER关系曲线，展示理论性能边界。

. {. e: b3 Z# M$ Q, c. f* G实验室验证设置必须考虑各种损伤和信道特性。
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图8：BER实验室测量设置，展示用于模型相关性的设备配置。
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. w, C2 y& E; b, D' E+ O; w! A7 N信道损耗特性显着影响SerDes性能，必须在建模过程中仔细考虑。

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/ X: W, Q  J2 ~( T图9：特征化的凸点到凸点链路损耗测量，展示频率相关的信道特性。
- m. J( L0 Z- P6 }3 J1 H2 S7 |+ c2 d
9 C4 l  @- ?  K) \2 t  ?仿真和测量性能之间的相关性验证了建模方法的有效性。

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图10：IBIS-AMI标称发送器与接收器噪声扫描，展示各种工作条件下的BER分布。

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高级性能分析
MLSE实现需要专门的分析技术。传统DFE和MLSE方法的比较显示了在具有挑战性的信道中的性能优势。
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. N- q- \3 w  J# j% Q图11：37 dB回环信道中DFE和MLSE的SNR比较，展示MLSE性能优势。

+ S5 a, F4 ?& h$ D6 q* }1 H最终相关性结果证实了在不同信道条件下建模方法的有效性。

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图12：MLSD与DFE SNR模型到实验室相关性，展示各信道损耗下的性能比较。
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" F6 }$ V- I% B3 u本文介绍了现代基于ADC的SerDes架构的综合建模方法，包括性能导向和架构准确的方法论。所描述的技术可以准确仿真运行速率超过100 Gb/s的高速串行链路，并考虑实现和验证的实际因素。MLSE等先进技术的整合表明这些建模方法可以扩展到新兴的SerDes架构。

: ~( E0 i( ~: p参考文献
; J/ J2 w/ S0 J' Q& s[1] Tyshchenko, D. Halupka, R. Allred, T. Worrell, B. Katz, C. Walker, and A. Auge, "IBIS-AMI Modeling and Correlation Methodology for ADC-Based SerDes Beyond 100 Gb/s," in DesignCon 2022, 2022.
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