JESD204B协议介绍

本文转载自：至芯

JESD204B 是由 JEDEC（联合电子设备工程委员会） 制定的一项高速串行接口协议，全称为《Serial Interface for Data Converters》（数据转换器串行接口标准），是 JESD204 协议的第二代升级版本（前身为 JESD204A）。其核心目标是解决高速数据转换器（ADC/DAC）与基带处理器（FPGA/ASIC）之间的高速、高可靠性数据传输问题，替代传统的并行接口（如 LVDS 并行总线），在简化硬件设计的同时提升数据传输效率与系统稳定性。

一、协议核心定位与设计背景

在高速信号处理领域（如通信、测试测量、雷达等），数据转换器（ADC/DAC）的采样率不断提升（从数百 MSPS 到数 GSPS），传统并行接口存在明显瓶颈：

• 引脚数量多：并行传输需为每路数据、时钟、同步信号单独设计引脚，导致芯片封装与 PCB 布局复杂；

• 信号完整性差：多通道并行信号易受串扰、时延偏差（skew）影响，高速下误码率显著升高；

• 功耗与成本高：大量引脚与传输线增加了芯片功耗和 PCB 设计成本。

JESD204B 协议通过串行化传输解决上述问题：将多通道并行数据整合为少数几条高速串行链路，同时优化同步机制与时钟设计，实现 “少引脚、高带宽、低抖动、易集成” 的传输需求。

二、JESD204B 核心技术特性

1. 传输架构：串行化与链路设计

JESD204B 采用 “并行 - 串行” 转换架构，核心是将 ADC/DAC 的多通道并行数据通过 SerDes（串行器 / 解串器） 转换为高速串行信号，通过少数差分链路传输，具体特性如下：

• 链路数量灵活：支持 1~24 条串行链路（Lane），每条 Lane 的最高传输速率可达 12.5 Gbps；

• 数据带宽高：单条 Lane 支持最高 1.25 GByte/s（12.5 Gbps 串行速率对应 10 Gbps 有效数据率，8b/10b 编码开销），多 Lane 可叠加带宽（如 4 Lane 最高支持 5 GByte/s）；

• 差分信号传输：采用 LVDS 或类似差分电平，抗干扰能力强，适合长距离（PCB 上可达数米）传输。

2. 关键技术：编码、时钟与同步

（1）8b/10b 编码

JESD204B 采用 8b/10b 编码 机制，核心作用是：

• 保证直流平衡：将 8 位数据转换为 10 位符号，确保串行流中 “0” 和 “1” 的数量近似相等，避免直流分量累积导致接收端判决偏移；

• 嵌入同步信号：编码中包含特殊 “控制字符”（如 K28.5），用于接收端同步（时钟恢复与帧对齐）；

• 错误检测：通过编码规则可初步检测传输错误（如非法符号）。

注：部分场景下也支持 64b/66b 编码（需额外配置），适合更高速率（>10 Gbps）传输，编码开销更低（约 3% vs 8b/10b 的 20%）。

（2）时钟恢复机制

JESD204B 采用 CDR（时钟数据恢复） 技术，无需单独传输时钟信号：

发送端将时钟信息 “嵌入” 到串行数据中（通过信号跳变）；

接收端通过 CDR 电路从串行数据流中提取时钟，实现 “数据与时钟同步恢复”，避免并行接口的时钟 skew 问题。

（3）多层同步机制

同步是高速数据传输的核心，JESD204B 定义了 3 层同步，确保发送端（ADC/DAC）与接收端（FPGA/ASIC）的数据流完全对齐：

• Lane 同步（Lane Alignment）：接收端通过检测 8b/10b 编码中的 K28.5 字符，对齐单条 Lane 的数据帧边界；

• 多 Lane 同步（Multi-Lane Alignment）：当使用多条 Lane 时，接收端通过 “同步字符序列” 确保所有 Lane 的帧起始位置一致，避免 Lane 间的时延偏差；

• 系统同步（SYSREF）：通过外部 SYSREF（系统参考信号） 实现 “全局时间同步”——SYSREF 是一个高精度脉冲信号，用于校准发送端与接收端的采样时钟相位（如 ADC 的采样时刻、DAC 的输出时刻），确保多芯片（如多 ADC 通道）间的同步精度（可达 ps 级）。

3. 帧结构与数据映射

JESD204B 定义了严格的帧结构，将 ADC/DAC 的并行数据按 “帧（Frame）- 多帧（Multi-Frame）” 的层级封装，确保数据有序传输：

• 帧（Frame）：最小数据单元，包含 N 位数据（N 由数据转换器的分辨率决定，如 16 位 ADC 对应 16 位 / 帧），每个 Frame 对应 1 个采样点；

• 多帧（Multi-Frame）：由 K 个 Frame 组成（K 为配置参数，通常为 1、2、4、8 等），用于承载 “链路配置信息”（如链路状态、错误报告）；

• 数据映射：支持多种 “数据 - Lane” 映射模式（如 Interleaved、Non-Interleaved），可将多通道采样数据灵活分配到不同 Lane，适配不同 ADC/DAC 的通道数量（如 8 通道 ADC 可映射到 2 条 Lane，每 Lane 传输 4 通道数据）。

4. 关键配置参数（L、M、N、F、K）

JESD204B 的灵活性源于可配置的核心参数，这些参数需在发送端与接收端预先一致配置，否则会导致数据传输错误，核心参数如下：

参数关系示例：若 16 位 ADC（N=16）有 4 个通道（M=4），使用 2 条 Lane（L=2），则每条 Lane 需传输 2 个通道的数据，每个 Frame 包含 32 位（2 通道 × 16 位）。

三、JESD204B 与 JESD204A 的核心差异

JESD204B 是 JESD204A 的升级版本，主要优化了传输速率、同步精度与灵活性，具体差异如下：

四、JESD204B 典型应用领域

JESD204B 因 “高速、低抖动、高同步精度” 的特性，广泛应用于需要高速数据转换与传输的场景，核心领域如下：

1. 通信系统

• 5G 基站：用于基带单元（BBU）与射频单元（RRU）之间的高速数据传输 ——ADC 采集射频信号后，通过 JESD204B 将高速采样数据传输至 FPGA 进行基带处理；DAC 则通过 JESD204B 接收 FPGA 的基带数据，转换为射频信号发射。

• 光通信：在 100G/400G 光模块中，用于 ADC/DAC 与信号处理芯片（如 DSP）的连接，实现高速光信号的采样与还原。

2. 测试测量仪器

• 高端示波器 / 频谱分析仪：高采样率 ADC（如 10 GSPS 以上）需通过 JESD204B 将海量采样数据传输至 FPGA/CPU 进行信号分析，避免并行接口的信号完整性问题。

• 信号发生器：高速 DAC 通过 JESD204B 接收 FPGA 生成的波形数据，输出高精度、高带宽的模拟信号。

3. 雷达与航空航天

• 相控阵雷达：多通道 ADC/DAC 需严格同步（否则影响雷达波束指向精度），JESD204B 的 SYSREF 同步机制可实现多芯片间 ps 级同步，同时通过串行链路简化雷达系统的布线设计。

• 卫星通信：卫星载荷中的高速数据转换模块（如遥感信号采集）需轻量化、高可靠的接口，JESD204B 可减少引脚与传输线数量，降低功耗与体积。

4. 工业与医疗设备

工业自动化：高速运动控制、机器视觉系统中，高分辨率 ADC/DAC 需通过 JESD204B 实现与处理器的高速数据交互，确保控制精度与图像采集速度。

医疗成像：MRI（磁共振成像）、CT 等设备的信号采集模块，需通过 JESD204B 传输高速、低噪声的采样数据，提升成像分辨率。

五、协议优势与局限性

优势

• 简化硬件设计：用少数串行链路替代大量并行引脚，减少芯片封装尺寸与 PCB 布线复杂度；

• 提升信号完整性：差分传输 + CDR 时钟恢复，降低串扰与时延偏差，支持更高传输速率；

• 高精度同步：SYSREF 机制实现多芯片间 ps 级同步，满足雷达、多通道采集等场景需求；

• 灵活性高：可配置的 Lane 数量、编码方式与参数，适配不同分辨率、通道数的 ADC/DAC。

局限性

• 复杂度提升：协议帧结构、同步机制较并行接口更复杂，需 FPGA/ASIC 具备专用 JESD204B 控制器；

• 功耗较高：SerDes 模块与高速串行传输的功耗高于低速并行接口；

• 调试难度大：高速串行链路的信号完整性（如眼图、抖动）调试需专业仪器（如示波器、误码仪）。

总结

JESD204B 是高速数据转换器接口的 “行业标准”，通过串行化、高精度同步与灵活配置，解决了传统并行接口的瓶颈，广泛支撑 5G、雷达、测试测量等领域的高速信号处理需求。在实际应用中，需结合具体场景（如传输速率、同步精度、通道数）配置协议参数，并注重链路信号完整性与功耗的平衡。