了解SERDES基礎(chǔ)概念，快速進入高速系統(tǒng)設(shè)計

在目前主流廠商的高端FPGA 中都集成了SERDES（串并收發(fā)單元）硬核，如Altera的Stratix IV GX器件族內(nèi)部集成的SERDES單通道支持600Mbit/s到8.5Gbit/s數(shù)據(jù)熟率，而Stratix IV系列器件族還集成支持150Mbit/s到1.6Mbit/s的高速差分信號接口，并增強了其動態(tài)相位調(diào)整（DPA,Dynamic Phase Alignment）特性；Xilinx的Virtex II Pro內(nèi)嵌的SERDES單通道支持622Mbit/s到3.125Mbit/s的數(shù)據(jù)速率，而Virtex II Pro X內(nèi)嵌的SERDES單通道支持2.488Gbit/s到10.3125Gbit/s的數(shù)據(jù)速率；Lattice的高端SC系列FPGA內(nèi)嵌的SERDES單通道支持622Mbit/s到3.4Gbit/s的數(shù)據(jù)速率，而其多款可編程系統(tǒng)級芯片FPSC（FPSC,Field Programmable System Chip）內(nèi)嵌的不同性能的SERDES單通道支持400Mbit/s到10.709Gbit/s的數(shù)據(jù)速率。

在FPGA中內(nèi)嵌諸如SERDES的硬核，可以大大地擴張FPGA的數(shù)據(jù)吞吐量，節(jié)約功耗，提高性能，使FPGA在高速系統(tǒng)設(shè)計中扮演著日益重要的角色。

在闡述SERDES基礎(chǔ)概念的基礎(chǔ)上，討論Stratix IV GX的SERDES與DPA結(jié)構(gòu)，通過對典型高速系統(tǒng)設(shè)計舉例和對高速PGB設(shè)計注意事項的介紹，引領(lǐng)讀者進入高速系統(tǒng)設(shè)計的世界。

SERDES的基礎(chǔ)概念

這里將介紹SERDES的基本概念，并介紹SERDES相關(guān)的專有名詞:眼圖(Eye-diagram)、眼圖模板、抖動(Jitter)、容忍度(tolerance)、功耗(Power Consumption)、預(yù)加重(Pre-emphasis)、均衡(Equalization)、8B/10B編碼等。

SERDES的概念

SERDES是SERializer和DESerializer的英文縮寫，即串行收發(fā)器。顧名思義，它由兩部分構(gòu)成:發(fā)端是串行發(fā)送單元SERializer，用高速時鐘調(diào)制編碼數(shù)據(jù)流；接端為串行接收單元DESerializer，其主要作用是從數(shù)據(jù)流中恢復(fù)出時鐘信號，并解調(diào)還原數(shù)據(jù)，根據(jù)其功能，接收單元還有一個名稱叫CDR( Clockand data Recovery,時鐘數(shù)據(jù)恢復(fù)器)或CRU( Clock RecoveryUnit,時鐘恢復(fù)單元)。如圖，所示為10根數(shù)據(jù)線的串行傳輸和解串行接收示意圖，10 根100MHZ的信號線入SERDES器件產(chǎn)生串行碼流，時鐘也調(diào)制到碼流內(nèi)，反過來通過它恢復(fù)并行的數(shù)據(jù)和時鐘。SERDES技術(shù)的應(yīng)用很好地解決了高速系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸?shù)钠款i(特別是背板傳輸應(yīng)用)，節(jié)約了單板面積，提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性，是高速系統(tǒng)設(shè)計的強有力支撐。

10:1SERDES功能示意圖

眼圖與眼圖模板

SERDES的最重要的兩個參數(shù)指標(biāo)是傳輸速率和傳輸長度，即在符合誤碼率要求的以何種傳輸速率可以傳輸多長距離。其形象的評價方法是利用眼圖，眼圖的高和寬反映了信號的傳輸質(zhì)量，如圖所示為Altera Stratix IV GX器件眼圖實例。

AlteraStratix IV GX器件眼圖實例

眼圖模板是用于對比眼圖質(zhì)量的參考系，常見的眼圖模版有兩種：菱形模版和六邊形模版。如圖所示為菱形眼圖模版示意。

菱形眼圖模版示意

其中，眾軸是眼圖的高度，單位是Mv，用以表示正確接收的差分信號的幅度，和接收端可正確恢復(fù)信號的電平需求直接相關(guān)；橫軸是眼圖的寬度，單位是UI或ps，用以表示無碼間干擾的接收時間，和接收端分辨兩個相鄰碼元的能力直接相關(guān)。UI，Unit Interval的縮寫，即1bit數(shù)據(jù)周期的對應(yīng)時間，例如對于1Gbit/s的眼圖1UI是1ns。評價眼圖的標(biāo)準(zhǔn)是眼的張開的程度要大，并且眼線要清晰。眼線清晰說明整個系統(tǒng)抖動小，準(zhǔn)確度高；眼圖的張開程度大，說明接收的信號幅度大，時間抖動小，這樣對接收端的幅度和時間上的容忍度要求就更低，正確恢復(fù)信號的概率就更高。