高速SerDes的IBIS-AMI建模

逍遥设计自动化

引言
1 O3 M- u, ?+ e9 c0 ?9 c; q7 n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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2 f( x7 V. [  K4 W! T% _& m传统与基于ADC的SerDes架构对比
+ C" b, x6 i: x$ _& \- h9 B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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# _6 O' R' S3 R+ O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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; x: S) Y3 h6 h* \  D( C. i9 a0 ?6 T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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0 C6 O# J5 K0 _* v: ?% T' f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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8 @9 L+ @2 A$ O; p$ d5 G2. 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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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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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
( S1 y4 h& [/ m" T; m, ]5 w3 S3 y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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1 T( ^" d/ {) @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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) f5 t; S' s1 t* l- `4 ^( k/ Q模型相关性与验证
- n0 b+ m) G" p  |- ]% B' W1 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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' B% b) b1 _! w9 U( z图7：NRZ和PAM4调制的SNR-BER关系曲线，展示理论性能边界。
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; u, v- ~$ U& S- W, e' v) @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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9 x% c0 f1 F1 |- W: @( J9 g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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- e3 m" R1 A% n1 C- d5 o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。
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( ]+ x! k' c1 V9 [- ?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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" x' y/ r! {9 T" V( R/ U0 T3 W  @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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图11：37 dB回环信道中DFE和MLSE的SNR比较，展示MLSE性能优势。
) K0 L5 B; z+ W8 U) S5 P
; F# A* y& v- |9 B- a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。

) V& ^8 S, i( u1 _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。

. c1 ~, u; n8 x( N5 E% j参考文献
[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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