Przewodnik po SerDes (Serializer/Deserializer): Jak to działa, projektowanie, zastosowania i testowanie
2026-07-31 592

Systemy cyfrowe o wysokiej prędkości muszą szybko i niezawodnie przesyłać duże ilości danych. Technologia SerDes umożliwia to, konwertując równoległe dane na szybki strumień szeregowy i przesyłając je przez mniejszą liczbę połączeń. Redukuje to ścieżki PCB, piny złączy oraz trudności związane z trasowaniem, jednocześnie wspierając wysoką przepustowość. Ten przewodnik wyjaśnia, jak działa SerDes, jego główne komponenty, metody sygnalizacji, specyfikacje, praktyki projektowania PCB, zastosowania, testowanie, rozwiązywanie problemów oraz sposoby poprawy wydajności linku.

Katalog

Rysunek 1. Konwersja danych wysokiej prędkości SerDes

Czym jest SerDes i dlaczego jest używany?

Serializer/Deserializer, lub SerDes, to blok obwodowy, który konwertuje równoległe dane cyfrowe na dane szeregowe i zmienia je z powrotem na dane równoległe po stronie odbiorczej. Serializator łączy kilka równoległych bitów danych w jeden szybki strumień szeregowy. Deserializator odbiera ten strumień i przywraca oryginalne dane równoległe.

Komunikacja równoległa przesyła kilka bitów jednocześnie przez wiele linii sygnałowych. Komunikacja szeregowa przesyła bity jeden po drugim przez jeden kanał lub niewielką liczbę par sygnałowych. Systemy dużej prędkości używają SerDes, ponieważ interfejsy równoległe wymagają wielu ścieżek PCB, pinów IC, i styków złączy. W miarę wzrostu prędkości danych te połączenia stają się trudniejsze do trasowania i kontrolowania. SerDes zmniejsza liczbę fizycznych połączeń, wspierając jednocześnie szybki transfer danych.

Główne korzyści płynące z SerDes obejmują:

• Mniejsze interfejsy

• Mniej ścieżek PCB i pinów złączy

• Prostsze trasowanie płyt

• Wyższe prędkości danych przy mniejszej liczbie połączeń

• Dłuższe odległości komunikacyjne

• Łatwiejsza rozbudowa systemu

• Niższy koszt systemu w odpowiednich projektach

Jak działa technologia Serializer/Deserializer

Rysunek 2. Schemat połączenia SerDes w trybie pełnodupleksowym

Link SerDes przesyła dane przez szybki kanał między nadajnikiem a odbiornikiem. Po stronie nadajnika dane są przygotowywane, synchronizowane i wysyłane przez ścieżkę PCB, kabel lub płytę tylną. Odbiornik następnie wykrywa i kondycjonuje przychodzący sygnał.

Odzyskiwanie zegara i danych identyfikuje właściwy czas próbkowania na podstawie przejść sygnału. Odbiornik synchronizuje odzyskane dane i przesyła je do logiki urządzenia. Link SerDes może działać w jednym kierunku lub wykorzystywać oddzielne ścieżki nadawcze i odbiorcze do komunikacji pełnoduplexowej. Może również używać wielu torów, aby zwiększyć całkowitą przepustowość.

Zegar odniesienia zapewnia stabilny czas, podczas gdy synchronizacja pomaga odbiornikowi poprawnie odtworzyć dane.

Komponenty nadajnika i odbiornika SerDes

Transceiver SerDes łączy bloki analogowe, sygnałowe i cyfrowe. Każdy blok wykonuje określone zadanie w przygotowywaniu, wysyłaniu, odbieraniu lub odbudowywaniu danych o wysokiej prędkości.

Rysunek 3. Schemat blokowy nadajnika i odbiornika SerDes

Komponenty nadajnika

Komponent	Główna funkcja
Interfejs wejściowy równoległy	Odbiera równoległe dane z logiki urządzenia.
Serializer	Konwertuje równoległe dane na szeregowy strumień bitów.
Obwód PLL lub zegara nadawczego	Generuje zegar nadawczej wysokiej prędkości.
Blok kodowania lub skrzynka przełożeniowa	Dostosowuje szerokość danych lub przygotowuje dane do przesyłania.
Pre-emphasis lub FFE	Kompensuje straty sygnału w kanale.
Wzmacniacz wyjściowy	Wysyła szeregowy sygnał do kanału transmisyjnego.
Zakończenie wyjścia	Dopasowuje impedancję i pomaga zredukować odbicia.

Komponenty odbiornika

Komponent	Główna funkcja
Zakończenie wejścia	Dopasowuje impedancję kanału na wejściu odbiornika.
Przedni koniec odbiornika	Wykrywa i wzmacnia nadchodzący sygnał.
CTLE	Kompensuje straty sygnału o wysokiej częstotliwości.
Wzmacniacz o zmiennej wzmocnieniu	Dostosowuje poziom odebranego sygnału w razie potrzeby.
Odzyskiwanie zegara i danych	Odbudowuje zegar próbkowania i dane.
DFE	Redukuje zakłócenia spowodowane wcześniejszymi bitami.
Deserializer	Konwertuje dane szeregowe z powrotem na dane równoległe.
Wyrównywacz słów	Znajduje poprawne granice danych słów.
Obwód deskewowania torów	Synchronizuje dane odebrane przez wiele torów.
Bufor elastyczny	Radzi sobie z małymi różnicami czasowymi między domenami zegara.

Sygnały, kodowanie i transmisja danych SerDes

SerDes przesyła dane cyfrowe jako sygnały elektryczne o wysokiej prędkości. Aby zachować niezawodność komunikacji, dane są reprezentowane, kodowane i organizowane przed ich wysłaniem przez kanał transmisyjny.

Sygnały różnicowe

Większość interfejsów SerDes wykorzystuje sygnały różnicowe, gdzie dwa komplementarne sygnały przenoszą te same dane. Odbiornik wykrywa różnicę napięcia między dwoma sygnałami, zamiast ich indywidualnych poziomów napięcia. Metoda ta poprawia odporność na zakłócenia, redukuje zakłócenia elektromagnetyczne (EMI) i wspiera przesyłanie danych o wysokiej prędkości.

Sygnały NRZ i PAM4

SerDes często korzysta z dwóch metod sygnalizacji:

Metoda sygnalizacji	Opis
NRZ (Non-Return-to-Zero)	Używa dwóch poziomów napięcia do reprezentacji binarnych 0 i 1. Każdy symbol przenosi jedną bit.
PAM4 (Modulacja Amplitudy Impulsów 4)	Używa czterech poziomów napięcia, pozwalając każdemu symbolowi przenosić dwa bity, co zwiększa przepustowość danych.

Prędkość symboli to liczba przesyłanych symboli na sekundę, podczas gdy prędkość bitów to liczba przesyłanych bitów danych. W przypadku PAM4 prędkość bitów może być dwukrotnie większa od prędkości symboli, ponieważ każdy symbol reprezentuje dwa bity.

Kodowanie i mieszanie

Przed transmisją wiele linków SerDes przetwarza dane, aby poprawić synchronizację i jakość sygnału. Powszechne metody to kodowanie 8b/10b i 64b/66b, które pomagają utrzymać równowagę DC i zapewniają wystarczające przejścia sygnału do odzyskiwania zegara. Niektóre systemy wykorzystują również mieszanie, aby zrandomizować wzór danych i ponowne rozkładanie na odbiorniku w celu przywrócenia oryginalnych danych.

Ramkowanie danych, korekcja błędów i dystrybucja torów

Strumień przesyłany może zawierać symbole kontrolne i informacje o ramkowaniu, aby odbiornik mógł zidentyfikować początek i koniec bloków danych. Niektóre z wysokowydajnych linków korzystają także z Korekcji Błędów Wstecznych (FEC) do wykrywania i korygowania niektórych błędów transmisji.

Gdy wymagane są wyższe przepustowości, dane mogą być dystrybuowane przez wiele torów z wykorzystaniem łączenia torów. Odbiornik łączy te tory, aby odbudować oryginalny strumień danych.

Surowa prędkość linii i prędkość ładunku

Surowa prędkość linii to całkowita prędkość transmisji łącza szeregowego, w tym zakodowane dane i informacje sterujące. Prędkość ładunku to rzeczywiste dane użytkownika dostarczane po usunięciu narzutu transmisji. Ponieważ informacje o kodowaniu, ramkowaniu i korekcji błędów zajmują część pasma, prędkość ładunku jest zawsze niższa niż surowa prędkość linii.

Kluczowe specyfikacje i parametry SerDes

Specyfikacja/Parametr	Opis
Prędkość danych i prędkość transferu	Wskazuje, jak szybko bity lub transfery sygnału przechodzą przez łącze.
Prędkość symbolu	Mierzy liczbę symboli elektrycznych przesyłanych na sekundę.
Liczba torów	Odnosi się do całkowitych ścieżek szeregowych używanych do komunikacji.
Pasmo agregatowe i ładunkowe	Porównuje całkowitą pojemność łącza z rzeczywistą użyteczną prędkością danych.
Wskaźnik błędów bitowych (BER)	Reprezentuje częstotliwość błędnie odebranych bitów.
Opóźnienie	Mierzy opóźnienie między transmisją a odbiorem.
Jitter	Opisuje zmienność czasową i zdolność odbiornika do jej tolerowania.
Poziomy sygnału	Obejmuje wychylanie wyjścia, czułość odbiornika, napięcie wspólnego trybu i ograniczenia odbicia.
Wydajność kanału	Określa wspieraną stratę sygnału i odległość komunikacyjną.
Zużycie energii	Określa energię zużytą przez każdy aktywny tor.
Zegar odniesienia	Określa wymaganą częstotliwość zegara, dokładność i jakość synchronizacji.
Warunki pracy i zgodność	Obejmuje napięcie zasilania, zakres temperatur, obsługiwane protokoły i pokolenia SerDes.

Integracja sygnału SerDes i wytyczne dotyczące projektowania PCB

Łącze SerDes w dużym stopniu zależy od jakości ścieżek PCB, przelotów, złączy, pakietów i kabli między nadajnikiem a odbiornikiem. Słaba konstrukcja kanału może osłabić lub zniekształcić sygnał oraz zwiększyć błędy danych.

Typowe problemy z integralnością sygnału

Strata wstawiania - Redukuje siłę sygnału w miarę przechodzenia przez kanał.

Strata zwrotna i odbicia - Odsyła część sygnału z powrotem w stronę nadajnika z powodu niedopasowania impedancji.

Niezgodności impedancyjne - Zniekształcają sygnał w przelotach, złączach, pakietach lub zmianach w geometrii ścieżki.

Skrzyżowanie - Wprowadza niepożądane energie z sąsiednich ścieżek do toru SerDes.

Zakłócenia między symbolami - Powoduje, że jeden przesyłany bit wpływa na bity, które go następują.

Tłumienie - Osłabia sygnał na długich ścieżkach, kablach i materiałach o wysokiej stracie.

Szum - Dodaje niepożądane zmiany napięcia, które zmniejszają margines próbkowania odbiornika.

Jitter wywołany kanałem - Przesuwa przejścia sygnału z ich idealnego czasu.

Praktyki projektowania PCB

• Kieruj torami SerDes jako różnicowe pary o kontrolowanej impedancji, używając impedancji wymaganej przez interfejs.

• Utrzymuj obie ścieżki w każdej parze symetryczne oraz zachowuj stałą szerokość, odstępy i odległość od płaszczyzny odniesienia.

• Dopasuj dwie ścieżki w parze różnicowej zgodnie z wymaganiami interfejsu i urządzenia. Unikaj niepotrzebnego dostrajania długości.

• Kieruj przez ciągłe płaszczyzny odniesienia i nie przekraczaj luk, podziałów ani pustek w płaszczyznach.

• Zapewnij ciągłą ścieżkę powrotną prądu, szczególnie w pobliżu przejść między warstwami i złączami.

• Zminimalizuj przeloty i zmiany warstw, ponieważ przeloty mogą wprowadzać straty, odbicia i niezgodności impedancyjne.

• Używaj back-drilling, gdy długie, nieużywane sztypki przelotów znacznie wpływałyby na kanał przy docelowej prędkości danych.

• Wybierz złącza i kable, które spełniają wymagane ograniczenia impedancji, pasma, straty wstawiania i straty zwrotnej.

• Umieść kondensatory sprzęgające AC symetrycznie w parze różnicowej. Postępuj zgodnie z zalecaną lokalizacją producenta protokołu lub transceivera.

• Umieść odpowiednie kondensatory filtrujące blisko nóżek zasilania SerDes, nóżek zasilania PLL i obwodów zasilania zegara odniesienia.

• Wybierz konfigurację PCB i materiał dielektryczny, które zapewniają kontrolowaną impedancję, niskie straty i praktyczne wymiary ścieżek.

• Symuluj cały kanał przed wytworzeniem, w tym modele pakietów, ścieżki PCB, przeloty, złącza i kable.

Typowe zastosowania i standardy SerDes

Centra danych i serwery: Łączą procesory, pamięć, urządzenia pamięci masowej, akceleratory i interfejsy sieciowe.

Przełączniki i routery sieciowe: Przesyłają dane z dużą prędkością między portami, chipami przełączającymi i modułami optycznymi.

Systemy pamięci: Łączą procesory z dyskami półprzewodnikowymi, dyskami twardymi i kontrolerami pamięci.

FPGAs i SoC-y: Zapewniają konfigurowalne interfejsy o wysokiej prędkości dla zewnętrznych urządzeń i innych układów.

Systemy kamer i wyświetlaczy: Przesyłają wideo w wysokiej rozdzielczości między sensorami obrazu, procesorami i wyświetlaczami.

Komunikacja chipletów: Łączą oddzielne chipy w jednym opakowaniu.

Linki szynowe i kablowe: Przesyłają dane o wysokiej prędkości między płytkami lub oddzielnym sprzętem.

Standardy i interfejsy SerDes

Standard lub interfejs	Główne zastosowanie	Rola SerDes
PCI Express	Łączy procesory, GPU, SSD i urządzenia rozszerzające.	Używa szeregowych torów w pełnym dupleksie o wysokiej prędkości dla skalowalnej przepustowości.
Ethernet	Wspiera komunikację sieciową.	Przesyła dane przez elektryczne lub optyczne linki o wysokiej prędkości.
USB	Łączy komputery i urządzenia peryferyjne.	Przesyła dane o wysokiej prędkości przez różnicowe połączenia szeregowe.
SATA i SAS	Łączy urządzenia magazynujące i kontrolery.	Zastępuje szerokie szyny równoległe mniejszą liczbą połączeń szeregowych.
DisplayPort i HDMI	Przesyłają cyfrowe wideo i audio.	Wysyłają dane multimedialne o wysokiej przepustowości przez kompaktowe kable i złącza.
Interfejsy MIPI	Łączą kamery, wyświetlacze i procesory.	Zmniejszają liczbę pinów, przestrzeń trasowania i zużycie energii w kompaktowych urządzeniach.
JESD204	Łączy przetworniki danych z FPGA lub procesorami.	Umożliwia szybki transfer danych przetworników przez wiele szeregowych torów.
Fibre Channel	Łączy serwery i sieci magazynowe.	Zapewnia niezawodną komunikację szeregową o wysokiej prędkości przez miedź lub światłowód.
CXL	Łączy procesory, pamięć i akceleratory.	Używa sygnalizacji szeregowej opartej na PCIe do komunikacji urządzeń o wysokiej prędkości.
UCIe	Łączy chiplety w jednym opakowaniu.	Zapewnia krótkozasięgowe, wysokoprzepustowe połączenia die-to-die.

SerDes vs Interfejsy Równoległe i Inne Szeregowe

Interfejsy równoległe przesyłają wiele bitów w tym samym czasie przez oddzielne linie sygnałowe, podczas gdy SerDes przesyła dane szeregowo przez jedną lub więcej szybkich linii. Poniższa tabela porównuje ich główne cechy.

Cecha	SerDes	Interfejs równoległy
Linie sygnałowe	Używa jednej lub więcej szybkich linii szeregowych.	Używa wielu linii danych wraz z sygnałami zegara i sterującymi.
Prędkość danych	Wysoka przepustowość przy mniejszej liczbie połączeń.	Ograniczona przez przesunięcie zegara i synchronizację sygnału przy wysokich prędkościach.
Liczba pinów	Mniejsza.	Większa.
Trasowanie PCB	Prostsze trasowanie z mniejszą liczbą ścieżek.	Bardziej złożone, ponieważ wiele ścieżek musi być dopasowanych.
Przesunięcie zegara	Nie jest wpływane przez równoległe przesunięcie zegara.	Przesunięcie zegara staje się bardziej problematyczne przy wyższych prędkościach.
Odległość komunikacji	Wspiera dłuższe kanały.	Najlepsze dla krótkich odległości.
Zużycie energii	Często niższe dla łączy o wysokiej przepustowości.	Może wzrosnąć w miarę wzrostu liczby linii sygnałowych.
Integralność sygnału	Lepsza do komunikacji o wysokiej prędkości.	Bardziej wrażliwa na przesunięcie, crosstalk i niedopasowanie czasowe.
Skalowalność	Łatwo rozszerzalna przez zwiększenie prędkości linii lub liczby linii.	Rozszerzenie zwykle wymaga dodatkowych linii sygnałowych.

SerDes vs Inne Technologie Szeregowe

SerDes jest często mylony z innymi technologiami szeregowymi. Poniższe porównanie pokazuje, w jaki sposób SerDes różni się od kilku pokrewnych terminów i interfejsów.

Technologia	Różnice
Interfejs Szeregowy Peryferyjny (SPI)	SPI jest protokołem komunikacyjnym o niskiej prędkości. SerDes to funkcja seryjnego przesyłania i rozprzestrzeniania danych, używana przez wiele interfejsów.
LVDS	LVDS jest standardem różnicowego sygnalizowania elektrycznego. SerDes może używać LVDS lub innych metod sygnalizacji, w zależności od zastosowania.
PHY	PHY to kompletny element warstwy fizycznej. SerDes jest często jednym funkcjonalnym blokiem wewnątrz PHY.
Transceiver	Transceiver to kompletny układ nadający i odbierający. Transceiver SerDes obejmuje funkcje seryjnego i deseryjnego przetwarzania danych oraz inne układy.
Ethernet PHY	Ethernet PHY implementuje warstwę fizyczną Ethernetu i zazwyczaj zawiera jeden lub więcej bloków SerDes, w zależności od standardu Ethernetu.

Testowanie, Walidacja i Rozwiązywanie Problemów z SerDes

Walidacja SerDes potwierdza, że połączenie spełnia swoje wymagania elektryczne i funkcjonalne. Gdy występuje problem, można użyć różnych pomiarów, aby zidentyfikować przyczynę i zweryfikować rozwiązanie.

Wspólne testy walidacyjne

Walidacja Test	Co weryfikuje
Testowanie BER	Niezawodność połączenia i wskaźnik błędów.
Testowanie PRBS	Jakość sygnału przy użyciu znanych wzorców danych.
Pomiar wykresu oka	Marginesy napięcia i czasowe.
Pomiar jittera	Stabilność czasowa przesyłanych i odbieranych sygnałów.
Testowanie tolerancji odbiornika	Działanie odbiornika w warunkach osłabionego sygnału.
Testowanie zgodności nadajnika	Wyjście nadajnika spełnia limity specyfikacji.
Testowanie pętli zwrotnej	Prawidłowe działanie nadajnika, odbiornika lub całego połączenia.
Testowanie marginesu kanału	Pozostałe napięcie i margines czasowy, zanim wystąpią błędy.
Testowanie synchronizacji kanałów	Prawidłowa synchronizacja wielu kanałów.
Zgodność z protokołem	Zgodność z standardem komunikacji.
Testowanie interoperacyjności	Kompatybilność z urządzeniami od różnych dostawców.
Testowanie napięcia i temperatury	Stabilne działanie w całym wspieranym zakresie pracy.

Rozwiązywanie problemów z SerDes

Objaw	Prawdopodobna przyczyna	Sprawdź	Kierunek korekty
Połączenie nie inicjalizuje się	Problem z zegarem, resetem, zasilaniem lub konfiguracją	Sprawdź zasilania, zegary, reset i ustawienia	Skoryguj dotknięty stan
CDR nie blokuje się	Słaby lub niestabilny sygnał wejściowy	Sprawdź otwarcie oka, jitter i poziom sygnału	Popraw jakość sygnału lub zegarowanie
Wysoki BER	Utrata, szum, jitter lub słaba wyrównanie	Przeprowadź testy BER, PRBS i wykresu oka	Popraw kanał lub wyrównanie
Wąskie lub zamknięte oko	Odbicia, tłumienie lub zjawisko crosstalk	Zmierz margines oka i jitter	Zmniejsz utratę i nieciągłości
Awaria synchronizacji kanałów	Nadmierne przesunięcie lub nieprawidłowe mapowanie	Sprawdź deskew i kolejność kanałów	Skoryguj timing lub konfigurację kanałów

Jak poprawić wydajność połączenia SerDes

Dostosuj nadajnik.

Ustaw wysoki poziom wahań napięcia wyjściowego, aby zapewnić niezawodną transmisję, ale nie tak wysoki, aby zwiększał zużycie energii lub odbicia. Użyj pre-emfazy lub wyrównania feed-forward (FFE), aby zmniejszyć wpływ utraty w kanale.

Wyreguluj odbiornik.

Dostosuj CTLE, aby przywrócić osłabione sygnały wysokiej częstotliwości. Użyj DFE, aby zmniejszyć zakłócenia między bitami. Adaptacyjne wyrównanie może automatycznie aktualizować te ustawienia, gdy zmieniają się warunki kanału.

Popraw jakość zegara i zasilania.

Użyj stabilnego zegara referencyjnego o niskim jitterze. Zmniejsz szumy zasilania za pomocą odpowiedniego filtrowania i odsprzęgania wokół SerDes i obwodów zegarowych.

Popraw kanał.

Skoryguj problemy z impedancją w ścieżkach, viach, złączach i kondensatorach. Zmniejsz długie stuby via, użyj odpowiednich złączy i kabli, a także skróć lub przeprowadź ponownie kanały o wysokich stratach, gdy to możliwe.

Sprawdź ustawienia połączenia.

Zweryfikuj mapowanie kanałów, polaryzację, wyrównanie i prędkość roboczą. Uruchom ponownie trening połączenia po zmianie sprzętu lub ustawień.

Zmierz wyniki.

Sprawdź BER i margines oka po każdej zmianie. Zachowaj tylko te regulacje, które wyraźnie poprawiają niezawodność. Ostateczne ustawienia powinny równoważyć wydajność, zużycie energii i stabilność termiczną.