SerDes

SerDes简介

　　SERDES是英文SERializer（串行器）/DESerializer（解串器）的简称。它是一种主流的时分多路复用（TDM）、点对点（P2P）的串行通信技术。即在发送端多路低速并行信号被转换成高速串行信号，经过传输媒体（光缆或铜线），最后在接收端高速串行信号重新转换成低速并行信号。这种点对点的串行通信技术充分利用传输媒体的信道容量，减少所需的传输信道和器件引脚数目，提升信号的传输速度，从而大大降低通信成本。

SerDes百科

　　SERDES是英文SERializer（串行器）/DESerializer（解串器）的简称。它是一种主流的时分多路复用（TDM）、点对点（P2P）的串行通信技术。即在发送端多路低速并行信号被转换成高速串行信号，经过传输媒体（光缆或铜线），最后在接收端高速串行信号重新转换成低速并行信号。这种点对点的串行通信技术充分利用传输媒体的信道容量，减少所需的传输信道和器件引脚数目，提升信号的传输速度，从而大大降低通信成本。

　　分类

　　SerDes 结构大致可以分为四类：并行时钟SerDes：将并行宽总线串行化为多个差分信号对，传送与数据并联的时钟。这些SerDes比较便宜，在需要同时使用多个SerDes 的应用中，可以通过电缆或背板有效地扩展宽总线；8B/10B 编码SerDes：将每个数据字节映射到10bit代码，然后将其串行化为单一信号对。10位代码是这样定义的：为接收器时钟恢复提供足够的转换，并且保证直流平衡（即发送相等数量的‘1’和‘0’）。这些属性使8B/10BSerDes 能够在有损耗的互连和光纤传输中以较少的信号失真高速运行；嵌入式时钟SerDes：将数据总线和时钟串化为一个串行信号对。两个时钟位，一高一低，在每个时钟循环中内嵌串行数据流，对每个串行化字的开始和结束成帧，因此这类SerDes也可称为“开始-结束位SerDes”，并且在串行流中建立定期的上升边沿。由于有效负载夹在嵌入式时钟位之间，因此数据有效负载字宽度并不限定于字节的倍数；位交错SerDes：将多个输入串行流中的位汇聚为更快的串行信号对。SERDES技术最早应用于广域网（WAN）通信。国际上存在两种广域网标准：一种是SONET，主要通行于北美；另一种是SDH，主要通行于欧洲。这两种广域网标准制订了不同层次的传输速率。万兆（OC-192）广域网已在欧美开始实行，中国大陆已升级到2.5千兆（OC-48）水平。SERDES技术支持的广域网构成了国际互联网络的骨干网。SERDES 并串行与串并行转换器，串化器/并化器 A device that serializes output from， and deserializes input to， a business machine.一种（信号）转换设备，对商业计算机的输出（信号）进行并串行（串行化）转换，而对其输入（信号）进行串并行（解串）转换。SERializer/DESerializer的缩 写。系统的设计师们会采用串行器/解串器（SERDES）技术的高速串行接口来取代传统的并行总线架构。基于SERDES的设计增加了带宽，减少了信号数量，同时带来了诸如减少布线冲突、降低开关噪声、更低的功耗和封装成本等许多好处。而SERDES技术的主要缺点是需要非常精确、超低抖动的元件来提供用于控制高数据速率串行信号所需的参考时钟。即使严格控制元件布局，使用长度短的信号并遵循信号走线限制，这些接口的抖动余地仍然是非常小的。

　　理解SerDes

　　FPGA发展到今天，SerDes（Serializer-Deserializer）基本上是标配了。从PCI到PCI Express， 从ATA到SATA，从并行ADC接口到JESD204， 从RIO到Serial RIO，…等等，都是在借助SerDes来提高性能。SerDes是非常复杂的数模混合设计，用户手册的内容只是描述了森林里面的一棵小树，并不能够解释SerDes是怎么工作的。SerDes怎么可以没有传输时钟信号？什么是加重和均衡？抖动和误码是什么关系？各种抖动之间有什么关系？本篇小文试着从一个SerDes用户的角度来理解SerDes是怎么设计的， 由于水平有限，一定有不够准确的地方，希望对刚开始接触SerDes的工程师有所帮助。

　　Contents

　　1. SerDes的价值。。. 1

　　1.1并行总线接口。。. 1

　　1.2 SerDes接口。。. 3

　　1.3 中间类型。。. 4

　　2. SerDes结构（architecture） 4

　　2.1串行器解串器（Serializer/Deserializer） 6

　　2.2发送端均衡器（ Tx Equalizer） 8

　　2.3接收端均衡器（ Rx Equalizer） 9

　　2.4时钟数据恢复（CDR） 13

　　2.5 公用锁相环（PLL） 16

　　2.6 SerDes编解码。。. 18

　　2.7 SerDes收发Driver及差分接口转换。。. 19

　　2.8 SerDes环回和调试。。. 19

　　3.抖动和信号集成（ Jitter， SI ） 19

　　3.1 时钟的抖动（clock jitter） 19

　　3.2. 数据的抖动（data jitter） 20

　　4.信号集成（SI）及仿真。。. 23

　　4.1信道channel 23

　　4.2 芯片封装Package. 24

　　4.3 SI仿真。。. 24

　　5. 结尾。。. 25

　　6．参考资料 了解更多的内容，可以阅读以下内容。。。. 25

　　1. SerDes的价值

　　1.1并行总线接口

　　在SerDes流行之前，芯片之间的互联通过系统同步或者源同步的并行接口传输数据，图1.1演示了系统和源同步并行接口。

　　随着接口频率的提高，在系统同步接口方式中，有几个因素限制了 有效数据窗口宽度 的继续增加。

　　l 时钟到达两个芯片的传播延时不相等（clock skew）

　　l 并行数据各个bit的传播延时不相等（data skew）

　　l 时钟的传播延时和数据的传播延时不一致（skew between data and clock）

　　虽然可以通过在目的芯片（chip #2）内用PLL补偿时钟延时差（clock skew），但是PVT变化时，时钟延时的变化量和数据延时的变化量是不一样的。这又进一步恶化了数据窗口。

　　源同步接口方式中，发送侧Tx把时钟伴随数据一起发送出去， 限制了clock skew对有效数据窗口的危害。通常在发送侧芯片内部，源同步接口把时钟信号和数据信号作一样的处理，也就是让它和数据信号经过相同的路径，保持相同的延时。这样PVT变化时，时钟和数据会朝着同一个方向增大或者减小相同的量，对skew最有利。

　　我们来做一些合理的典型假设，假设一个32bit数据的并行总线，

　　a）发送端的数据skew = 50 ps ---很高的要求

　　b）pcb走线引入的skew = 50ps ---很高的要求

　　c）时钟的周期抖动jitter = +/-50 ps ---很高的要求

　　d）接收端触发器采样窗口 = 250 ps ---Xilinx V7高端器件的IO触发器

　　可以大致估计出并行接口的最高时钟 = 1/（50+50+100+250） = 2.2GHz （DDR）或者1.1GHz （SDR）。

　　利用源同步接口，数据的有效窗口可以提高很多。通常频率都在1GHz以下。在实际应用中可以见到如SPI4.2接口的时钟可以高达DDR 700MHz x 16bits位宽。DDR Memory接口也算一种源同步接口，如DDR3在FPGA中可以做到大约800MHz的时钟。

　　要提高接口的传输带宽有两种方式，一种是提高时钟频率，一种是加大数据位宽。那么是不是可以无限制的增加数据的位宽呢？这就要牵涉到另外一个非常重要的问题-----同步切换噪声（SSN）。

　　这里不讨论SSN的原理，直接给出SSN的公式 SSN = L *N* di/dt。L是芯片封装电感，N是数据宽度，di/dt是电流变化的斜率。随着频率的提高，数据位款的增加，SSN成为提高传输带宽的主要瓶颈。图1.2是一个DDR3串扰的例子。图中低电平的理论值在0V，由于SSN的影响，低电平表现为震荡，震荡噪声的最大值达610mV，因此噪声余量只有1.5V/2-610mV=140mV。

　　Figure 1.2 DDR3串扰演示

　　因此也不可能靠无限的提高数据位宽来继续增加带宽。一种解决SSN的办法是使用差分信号替代单端信号，使用差分信号可以很好的解决SSN问题，代价是使用更多的芯片引脚。使用差分信号仍然解决不了数据skew的问题，很大位宽的差分信号再加上严格的时序限制，给并行接口带来了很大的挑战。

　　1.2 SerDes接口

　　源同步接口的时钟频率已经遇到瓶颈，由于信道的非理想（channel）特性，再继续提高频率，信号会被严重损伤，就需要采用均衡和数据时钟相位检测等技术。这也就是SerDes所采用的技术。SerDes（Serializer-Deserializer）是串行器和解串器的简称。串行器（Serializer）也称为SerDes发送端（Tx），（Deserializer）也称为接收端Rx。Figure1.3是一个N对SerDes收发通道的互连演示，一般N小于4。

　　可以看到，SerDes不传送时钟信号，这也是SerDes最特别的地方，SerDes在接收端集成了CDR（Clock Data Recovery）电路，利用CDR从数据的边沿信息中抽取时钟，并找到最优的采样位置。

　　SerDes采用差分方式传送数据。一般会有多个通道的数据放在一个group中以共享PLL资源，每个通道仍然是相互独立工作的。

　　SerDes需要参考时钟（Reference Clock），一般也是差分的形式以降低噪声。接收端Rx和发送端Tx的参考时钟可以允许几百个ppm的频差（plesio-synchronous system），也可以是同频的时钟，但是对相位差没有要求。

　　作个简单的比较，一个SerDes通道（channel）使用4个引脚（Tx+/-，Rx+/-）， 目前的FPGA可以做到高达28Gbps。而一个16bits的DDR3-1600的线速率为1.6Gbps*16 = 25Gbps，却需要50个引脚。此对比可以看出SerDes在传输带宽上的优势。

　　相比源同步接口，SerDes的主要特点包括：

　　l SerDes在数据线中时钟内嵌，不需要传送时钟信号。

　　l SerDes通过加重/均衡技术可以实现高速长距离传输，如背板。

　　l SerDes 使用了较少的芯片引脚

　　1.3 中间类型

　　也存在一些介于SerDes和并行接口之间的接口类型，相对源同步接口而言，这些中间类型的接口也使用串行器（Serializer）解串器（Deserializer），同时也传送用于同步的时钟信号。这类接口如视频显示接口7:1 LVDS等。

　　2. SerDes结构（architecture）

　　SerDes的主要构成可以分为三部分，PLL模块，发送模块Tx，接收模块Rx。为了方便维护和测试，还会包括控制和状态寄存器，环回测试，PRBS测试等功能。见图2.1。

　　Figure 2.1 Basic Blocks of a typical SerDes

　　图中蓝色背景子模块为PCS层，是标准的可综合CMOS数字逻辑，可以硬逻辑实现，也可以使用FPGA软逻辑实现，相对比较容易被理解。褐色背景的子模块是PMA层，是数模混合CML/CMOS电路，是理解SerDes去别于并行接口的关键，也是本文要讨论的内容。

　　发送方向（Tx）信号的流向： FPGA软逻辑（fabric）送过来的并行信号，通过接口FIFO（Interface FIFO）， 送给8B/10B编码器（8B/10B encoder）或扰码器（scambler），以避免数据含有过长连零或者连1。之后送给串行器（Serializer）进行 并-》串 转换。串行数据经过均衡器（equalizer）调理，有驱动器（driver）发送出去。

　　接收方向（Rx）信号的流向， 外部串行信号由线性均衡器（Linear Equalizer）或DFE （Decision Feedback Equalizer）结构均衡器调理，去除一部分确定性抖动（Deterministic jitter）。CDR从数据中恢复出采样时钟，经解串器变为对齐的并行信号。8B/10B解码器（8B/10B decoder）或解扰器（de-scambler）完成解码或者解扰。如果是异步时钟系统（plesio-synchronous system），在用户FIFO之前还应该有弹性FIFO来补偿频差。

　　PLL负责产生SerDes各个模块所需要的时钟信号，并管理这些时钟之间的相位关系。以图中线速率10Gbps为例，参考时钟频率250MHz。Serializer/Deserializer至少需要5GHz 0相位时钟和5GHz 90度相位时钟，1GHz（10bit并行）/1.25GHz（8bit并行）时钟等。

　　一个SerDes通常还要具调试能力。例如伪随机码流产生和比对，各种环回测试，控制状态寄存器以及访问接口，LOS检测， 眼图测试等。

　　2.1串行器解串器（Serializer/Deserializer）

　　串行器Serializer把并行信号转化为串行信号。Deserializer把串行信号转化为并行信号。一般地，并行信号为8 /10bit或者16/20bit宽度，串行信号为1bit宽度（也可以分阶段串行化，如8bit-》4bit-》2bit-》equalizerà1bit以降低equalizer的工作频率）。采用扰码（scrambled）的协议如SDH/SONET， SMPTE SDI使用8/16bit的并行宽度，采用8B/10B编码的协议如PCIExpress，GbE使用10bits/20bits宽度。

　　一个4:1的串行器如图xxx所示。8:1或16:1的串行器采用类似的实现。实现时，为了降低均衡器的工作频率，串行器会先把并行数据变为2bits，送给均衡器equalizer滤波，最后一步再作2:1串行化，本文后面部分都按1bit串行信号解释。

　　一个1:4的解串器如图2.3所示，8:1或16:1的解串器采用类似的实现。实现时，为了降低均衡器（DFE based Equalizer）的工作频率，DFE工作在DDR模式下，解串器的输入是2bit或者更宽，本文后面部分都按1bit串行信号解释。

　　Serializer/Deserializer的实现采用双沿（DDR）的工作方式，利用面积换速度的策略，降低了电路中高频率电路的比例，从而降低了电路的噪声。

　　接收方向除了Deserializer之外，一般带有还有对齐功能逻辑（Aligner）。相对SerDes发送端，SerDes接收端起始工作的时刻是任意的，接收器正确接收的第一个 bit可能是发送并行数据的任意bit位置。因此需要对齐逻辑来判断从什么bit位置开始，以组成正确的并行数据。对齐逻辑通过在串行数据流中搜索特征码字（Alignment Code）来决定串并转换的起始位置。比如8B/10B编码的协议通常用K28.5（正码10’b1110000011，负码10’b0001111100）来作为对齐字。图2.4为一个对齐逻辑的演示。通过滑窗，逐bit比对，以找到对齐码（Align-Code）的位置，经过多次在相同的位置找到对齐码之后，状态机锁定位置并选择相应的位置输出对齐数据。

　　2.2发送端均衡器（ Tx Equalizer）

　　SerDes信号从发送芯片到达接收芯片所经过的路径称为信道（channel），包括芯片封装，pcb走线，过孔，电缆，连接器等元件。从频域看，信道可以简化为一个低通滤波器（LPF）模型，如果SerDes的速率大于信道（channel）的截止频率，就会一定程度上损伤（distort）信号。均衡器的作用就是补偿信道对信号的损伤。

　　发送端的均衡器采用FFE（Feed forward equalizers）结构，发送端的equalizer也称作加重器（emphasis）。加重（Emphasis）分为去加重（de-emphasis）和预加重（pre-emphasis）。De-emphasis降低差分信号的摆幅（swing）。Pre-emphasis增加差分信号的摆幅。FPGA大部分使用de-emphasis的方式，加重越强，信号的平均幅度会越小。

　　发送侧均衡器设计为一个高通滤波器（HPF），大致为信道频响H（f）的反函数H-1（f），FFE的目标是让到达接收端的信号为一个干净的信号。FFE的实现方式有很多，一个典型的例子如图2.5所示。

　　调节滤波器的系数可以改变滤波器的频响，以补偿不同的信道特性，一般可以动态配置。以10Gbps线速率为例，图2.5为DFE频率响应演示。可以看到，对于C0=0，C1=1.0，C2=-0.25的配置，5GHz处高频增益比低频区域高出4dB，从而补偿信道对高频频谱的衰减。

　　采样时钟的频率限制了这种FFE最高只能补偿到Fs/2（例子中Fs/2=5GHz）。根据采样定理，串行数据里的信息都包含在5GHz以内，从这个角度看也就足够了。如果要补偿Fs/2以上的频率，就要求FFE高于Fs的工作时钟，或者连续时间域滤波器（Continuous Time FFE）。

　　图2.7为DFE时域滤波效果的演示，以10Gbps线速率为例，一个UI=0.1 nS=100ps。演示的串行数据码流为二进制［00000000100001111011110000］。