差動信号を扱っていると、一度はやらかすのがこれです。
P/Nを逆に配線してしまう。
ぱっと見は「終わった…」と思いがちですが、実際にはもう少し整理して考えることができます。
特にDDR受信では、データとクロックで影響が異なるのがポイントです。
基板設計の際に注意してほしいものですよね～
結論（先に）
ここでは，立上り側・立下り側の値を2 bitずつ組にして読む場合を考えます．受信モードと後段でのデータの並べ方によって，見える順序は変わります．
- データだけP/N逆
→ ビット反転のみ（順序は変わらない） - クロックだけP/N逆（DDR）
→ 偶奇エッジが入れ替わる（データ順序が崩れる）
前提
本記事では以下の条件を前提とします。
- インタフェース：LVDS
- 受信方式：DDR（立上り・立下りでサンプリング）
- データ列：D1 → D2 → D3 → D4（時間順）
- デバイス：Efinix Titaniumでの動作確認ベース
※一般的なLVDS DDRでも同様の挙動になると考えられますが、最終的にはデバイス依存です。
データだけP/N逆の場合
まずはシンプルなケース。
起きること
差動受信は
Vdiff = Vp - Vn
で判定されます。
P/Nを逆にすると、
Vdiff → -Vdiff
となるため、
👉 論理レベルが反転します。
結果
D1 D2 D3 D4 → ~D1 ~D2 ~D3 ~D4
ここで重要なのは、
- サンプリングタイミングには影響しない
- データの並び順は変わらない
という点です。
つまり、
- 順序：そのまま
- 値：反転
という非常に素直な挙動になります。
クロックだけP/N逆の場合（DDR）
こちらが本題です。
起きること
クロックのP/Nを逆にすると、
👉 クロックが180°位相反転します。
DDRでの影響
DDRでは、
- 立上りエッジで1ビット
- 立下りエッジで1ビット
を取得します。
クロックが反転すると、
👉 どのエッジでどのデータを取得するかが入れ替わる
ことになります。
具体例
元の想定：
立上り → D1
立下り → D2
立上り → D3
立下り → D4
クロック反転後：
立上り → D2
立下り → D1
立上り → D4
立下り → D3
結果
D2 D1 D4 D3
完全にランダムになるわけではなく、
👉 偶数・奇数のペア単位で入れ替わる
という挙動になります。
この「それっぽく見えるけど微妙におかしい」感じが、デバッグをややこしくします。
ここで私もハマりました orz
対処方法
FPGAであれば、一般的には次の対応になります。
- データ逆接
→ NOTで補正 - クロック逆接
→ PLLなどで位相補正、または受信設定で調整
ただし、
- グローバルクロックに載せられるピンか
- PLLに接続可能か
などの制約はあるため、ピン配置の時点で回避できるのがベストです。
まとめ
整理すると次の通りです。
- データP/N逆
→ ビット反転のみ（順序は維持） - クロックP/N逆（DDR）
→ 偶奇エッジ入れ替わり（順序が崩れる）
最後に
この手の問題は、
- テストパターンを流す
- ILAやロジアナで確認する
のが最も確実です。
理屈通りに見えることもあれば、
実装（配線遅延・スキュー・IO設定）依存でズレることも普通にあります。
「なんかそれっぽく動いてるけどおかしい」状態にハマったら、
まずはP/N逆接を疑うのがおすすめです。
良きハッピーハードウェア開発を。
受信モードとデータの並べ方も確認する
上のD2 D1 D4 D3は，立上り側・立下り側の値を2 bitずつ組にして読む説明例です．クロックの極性を変えると，物理的な立上り・立下りと，受信回路が認識するエッジの対応が逆になります．ただし，そこから後段へ出てくるワードの並びは，受信モードと再同期の方法にも依存します．すべてのLVDS受信回路で，この4 bitの並びになると決めつけることはできません．
EfinixのQuantum Titanium Primitives User Guide v4.2のEFX_IDDIOでは，O_HIが立上り側，O_LOが立下り側の取り込みに対応しています．また，IS_CLK_INVERTEDと，DDIO・DDIO_RESYNC・DDIO_PIPEのモードが定義されています．これはプリミティブの仕様であり，この記事の実機で使った設定を示すものではありません．
自分の設計と照合するときは，まず生成された受信回路と設定を確認し，その出力を後段でどの順に並べているか追います．デシリアライザーを使う構成なら，シリアライズ比とワード境界も確認します．0101のような繰り返しだけで判断せず，反転と位置ずれを区別できる既知のテストパターンと照合します．
クロックの補正を入れた場合も，データの並びが戻ったことと，取り込みタイミングが満たされていることは別に確認します．クロックとデータの位相調整については，Efinix AN 044「Aligning LVDS Clock and Data Signals」が参考になります．この追記では，新しい実機波形や測定結果は追加していません．
