Ghid SerDes (Serializer/Deserializer): Cum Funcționează, Design, Aplicații și Testare
2026-07-31 1348

Sistemele digitale de mare viteză trebuie să transfere cantități mari de date rapid și fiabil. Tehnologia SerDes face acest lucru posibil prin conversia datelor paralele într-un flux serial de mare viteză și trimiterea lor prin mai puține conexiuni. Aceasta reduce traseele PCB, pini de conector și dificultățile de rutare, sprijinind în același timp o lățime de bandă mare. Acest ghid explică modul în care funcționează SerDes, principalele sale componente, metodele de semnalizare, specificațiile, practicile de design PCB, aplicațiile, testarea, depanarea și modalitățile de îmbunătățire a performanței legăturii.

Catalog

Figura 1. Conversia Datelor SerDes de Mare Viteză

Ce este un SerDes și de ce este utilizat?

Un Serializer/Deserializer, sau SerDes, este un bloc de circuit care convertește date digitale paralele în date seriale și le transformă înapoi în date paralele la capătul de recepție. Serializerul combină mai multe biți de date paralele într-un singur flux serial de mare viteză. Deserializerul primește acel flux și restabilește datele paralele originale.

Comunicația paralelă trimite mai mulți biți în același timp prin multiple linii de semnal. Comunicația serială trimite biții unul după altul printr-un canal sau un număr mic de perechi de semnal. Sistemele de mare viteză folosesc SerDes deoarece interfețele paralele necesită multe trasee PCB, pini IC, și contacte de conector. Pe măsură ce ratele de date cresc, aceste conexiuni devin mai greu de rutat și controlat. SerDes reduce numărul de conexiuni fizice, sprijinind în același timp transferul rapid de date.

Principalele beneficii ale SerDes includ:

• Interfețe mai mici

• Mai puține trasee PCB și pini de conector

• Rutare mai simplă a plăcilor

• Rate de date mai mari prin mai puține conexiuni

• Distanțe de comunicare mai lungi

• Expansie mai ușoară a sistemului

• Cost de sistem mai scăzut în designuri adecvate

Cum funcționează tehnologia Serializer/Deserializer

Figura 2. Diagrama Legăturii SerDes Full-Duplex

O legătură SerDes transferă date printr-un canal de mare viteză între un emitător și un receptor. La partea de emitere, datele sunt pregătite, sincronizate și trimise printr-un traseu PCB, cablu sau backplane. Receptorul detectează și condiționează apoi semnalul de intrare.

Recuperarea ceasului și a datelor identifică momentul corect de eșantionare din tranzițiile semnalului. Recepționerul aliniază datele recuperate și le transmite la logica dispozitivului. O legătură SerDes poate funcționa într-o singură direcție sau poate folosi căi separate de transmitere și primire pentru comunicarea full-duplex. De asemenea, poate utiliza mai multe benzi pentru a crește lățimea de bandă totală.

O ceas de referință oferă un timp stabil, în timp ce sincronizarea ajută receptorul să reconstruiască corect datele.

Componentele Transmițătorului și Recepționerului SerDes

Un transceiver SerDes combină blocuri analogice, mixte și digitale. Fiecare bloc îndeplinește o sarcină specifică în pregătirea, transmiterea, primirea sau reconstrucția datelor de mare viteză.

Figura 3. Diagrama bloc a Transmițătorului și Recepționerului SerDes

Componentele Transmițătorului

Component	Funcția Principală
Interfața de intrare paralelă	Primește date paralele de la logica dispozitivului.
Serializer	Convertește datele paralele într-un flux de biți serial.
Circuitul PLL de transmisie sau circuitul de ceas	Generează ceasul de transmisie de mare viteză.
Blocul de codare sau cutia de viteze	Ajustează lățimea datelor sau pregătește datele pentru transmisie.
Pre-emphasis sau FFE	Compensează pierderea semnalului în canal.
Driver de ieșire	Trimite semnalul serial în canalul de transmisie.
Terminarea de ieșire	Potrivește impedanța și ajută la reducerea reflexiilor.

Componentele Recepționerului

Component	Funcția Principală
Terminarea de intrare	Potrivește impedanța canalului la intrarea receptorului.
Frontul receptorului	Detectează și amplifică semnalul de intrare.
CTLE	Compensează pierderea semnalului de înaltă frecvență.
Amplificator cu câștig variabil	Ajustează nivelul semnalului recepționat atunci când este necesar.
Recuperarea ceasului și a datelor	Recuperează ceasul de eșantionare și datele.
DFE	Reduce interferențele cauzate de biții anteriori.
Deserializer	Convertește datele seriale înapoi în date paralele.
Aliniator de cuvinte	Găsește limitele corecte ale cuvintelor de date.
Circuitul de despărțire a benzilor	Aliniază datele primite prin mai multe benzi.
Buffer elastic	Gestionează mici diferențe de timp între domeniile de ceas.

Semnalizarea, Codarea și Transmiterea Datelor SerDes

SerDes transmite date digitale sub formă de semnale electrice de mare viteză. Pentru a menține o comunicare fiabilă, datele sunt reprezentate, codificate și organizate înainte de a fi trimise prin canalul de transmisie.

Semnalizare Diferentială

Cele mai multe interfețe SerDes folosesc semnalizare diferențială, unde două semnale complementare poartă aceleași date. Recepționerul detectează diferența de tensiune între cele două semnale în loc de nivelurile individuale de tensiune. Această metodă îmbunătățește imunitatea la zgomot, reduce interferența electromagnetică (EMI) și susține transmiterea datelor de mare viteză.

Semnalizarea NRZ și PAM4

SerDes folosește în mod obișnuit două metode de semnalizare:

Metoda de Semnalizare	Descriere
NRZ (Non-Return-to-Zero)	Folosește două niveluri de tensiune pentru a reprezenta 0 și 1 binare. Fiecare simbol poartă un bit.
PAM4 (Modulația Amplitudinii Pulse 4)	Folosește patru niveluri de tensiune, permițând fiecărui simbol să poarte două biți și crescând debitul de date.

Rata simbolurilor este numărul de simboluri transmise pe secundă, în timp ce rata bitilor este numărul de biți de date transmise. Cu PAM4, rata bitilor poate fi de două ori mai mare decât rata simbolurilor, deoarece fiecare simbol reprezintă doi biți.

Codarea și Scramblingul

Înainte de transmisie, multe legături SerDes procesează datele pentru a îmbunătăți sincronizarea și calitatea semnalului. Metodele comune includ codarea 8b/10b și 64b/66b, care ajută la menținerea echilibrului DC și oferă suficiente tranziții de semnal pentru recuperarea ceasului. Unele sisteme folosesc, de asemenea, scrambling pentru a randomiza modelul de date și descrambling la receptor pentru a restabili datele originale.

Încadrarea Datelor, Corectarea Erorilor și Distribuția Benzilor

Fluxul transmis poate include simboluri de control și informații de încadrare astfel încât receptorul să poată identifica începutul și sfârșitul blocurilor de date. Unele legături de mare viteză folosesc, de asemenea, Corectarea Erorilor în Avans (FEC) pentru a detecta și corecta anumite erori de transmisie.

Atunci când este necesară lățimea de bandă mai mare, datele pot fi distribuite pe mai multe benzi folosind îmbinarea benzilor. Recepționerul combină aceste benzi pentru a reconstrui fluxul original de date.

Rata Liniei Brute și Rata Sarcinii utile

Rata de linie brută este viteza totală de transmitere a legăturii seriale, inclusiv datele codificate și informațiile de control. Rata de încărcare utilă este datele reale ale utilizatorului livrate după eliminarea suprasarcinii de transmisie. Deoarece codificarea, încadrarea și informațiile de corectare a erorilor ocupă o parte din lățimea de bandă, rata de încărcare utilă este întotdeauna mai mică decât rata de linie brută.

Specificații și Parametrii Cheie SerDes

Specificație/Parametru	Descriere
Rata de date și Rata de transfer	Indică rapiditatea cu care biții sau transferurile de semnal se deplasează prin legătură.
Rata simbolurilor	Măsoară numărul de simboluri electrice trimise pe secundă.
Numărul de Benzi	Se referă la totalul căilor seriale utilizate pentru comunicare.
Lățimea de bandă agregată și de încărcare utilă	Compară capacitatea totală a legăturii cu rata actuală de date utilizabile.
Rata de eroare a biților (BER)	Reprezintă frecvența biților recepționați incorect.
Latență	Măsoară întârzierea între transmisie și recepție.
Jitter	Descrie variația timpului și abilitatea receptorului de a o tolera.
Niveluri de semnal	Acoperă oscilația de ieșire, sensibilitatea receptorului, tensiunea comună și limitele de reflexie.
Performanța canalului	Definește pierderea de semnal și distanța de comunicare acceptate.
Consum de energie	Indică energia utilizată de fiecare bandă activă.
Ceas de referință	Specifică frecvența, precizia și calitatea de cronometrare necesare.
Condiții de operare și compatibilitate	Acoperă tensiunea de alimentare, intervalul de temperatură, protocoalele acceptate și generațiile SerDes.

Integritatea semnalului SerDes și Ghiduri de proiectare PCB

O legătură SerDes depinde într-o foarte mare măsură de calitatea traseelor PCB, a prinzătorilor, a conectorilor, a ambalajelor și a cablurilor dintre emițător și receptor. Un design slab al canalului poate slăbi sau distorsiona semnalul și crește erorile de date.

Probleme comune de integritate a semnalului

Pierdere prin inserție - Reduce puterea semnalului pe măsură ce călătorește prin canal.

Pierdere de întoarcere și Reflexii - Trimite o parte din semnal înapoi către emițător din cauza nepotrivirii impedanței.

Discontinuități de impedanță - Distorsionează semnalul la prinzători, conectori, ambalaje sau modificări în geometria traseului.

Crosstalk - Cupla energie nedorită din trasee adiacente în banda SerDes.

Interferența între simboluri - Face ca un bit transmis să afecteze biții care îl urmează.

Atenuare - Slăbește semnalul pe trasee lungi, cabluri și materiale cu pierderi mari.

Zgomot - Adaugă modificări nedorite ale tensiunii care reduc marja de eșantionare a receptorului.

Jitter indus de canal - Deplasează tranzițiile semnalului de la temporizarea lor ideală.

Practici de proiectare PCB

• Rutați benzile SerDes ca perechi diferențiale cu impedanță controlată folosind impedanța necesară de către interfață.

• Mențineți ambele trasee din fiecare pereche simetrice și mențineți o lățime, un spațiu și o distanță a planului de referință constante.

• Potriviți cele două trasee din cadrul unei perechi diferențiale conform interfeței și cerințelor dispozitivului. Evitați reglarea inutilă a lungimii.

• Rutați pe planuri de referință continue și nu traversați golurile de plan, împărțirile sau zonele goale.

• Oferiți o cale continuă de curent de întoarcere, în special near layer transitions and connectors.

• Minimizați prinzătorii și schimbările de strat deoarece prinzătorii pot introduce pierderi, reflexii și discontinuități de impedanță.

• Utilizați back-drilling când resturile de prinzători nevăzute ar afecta semnificativ canalul la rata de date țintă.

• Alegeți conectori și cabluri care îndeplinesc limitele de impedanță, lățime de bandă, pierdere prin inserție și pierdere la întoarcere necesare.

• Plasați condensatori de cuplare AC simetric în perechea diferențială. Urmați locația recomandată de protocol sau de producătorul transceiver-ului.

• Plasați condensatori de decuplare adecvați aproape de pinurile de alimentare SerDes, pinurile de alimentare PLL și circuitele de alimentare a ceasului de referință.

• Selectați o configurație PCB și un material dielectric care oferă impedanță controlată, pierderi reduse și dimensiuni practice ale traseelor.

• Simulați canalul complet înainte de fabricație, inclusiv modelele de ambalaj, traseele PCB, prinzătorii, conectorii și cablurile.

Aplicații și Standardele Comune SerDes

Centre de date și servere: Conectează procesoare, memorie, dispozitive de stocare, acceleratoare și interfețe de rețea.

Switch-uri și routere de rețea: Transferă date de înaltă viteză între porturi, cipuri de comutare și module optice.

Sisteme de stocare: Conectează procesoarele cu unități de stocare solid-state, hard disk-uri și controlere de stocare.

FPGAs și SoCs: Oferă interfețe configurabile de mare viteză pentru dispozitive externe și alte cipuri.

Sisteme de cameră și afișare: Transferă video de înaltă rezoluție între senzori de imagine, procesoare și afișaje.

Comunicație între chiplet-uri: Conectează die-uri separate într-un singur pachet.

Legături de backplane și cablu: Transportă date de mare viteză între plăci sau echipamente separate.

Standardele și interfețele SerDes

Standard sau Interfață	Utilizare principală	Rolul SerDes
PCI Express	Conectează procesoare, GPU-uri, SSD-uri și dispozitive de extindere.	Folosește lanțuri seriale de mare viteză în duplex total pentru lățimi de bandă scalabile.
Ethernet	Susține comunicația de rețea.	Transportă date prin legături electrice sau optice de mare viteză.
USB	Conectează computere și dispozitive periferice.	Transferă date de mare viteză prin conexiuni seriale diferențiale.
SATA și SAS	Conectează unități de stocare și controlere.	Înlocuiește magistralele paralele largi cu mai puține legături seriale.
DisplayPort și HDMI	Transportă video digital și audio.	Trimite date media de mare lățime de bandă prin cabluri și conectori compacți.
Interfețe MIPI	Conectează camere, afișaje și procesoare.	Reduce numărul de pini, spațiul de rutare și puterea în dispozitive compacte.
JESD204	Conectează convertoare de date cu FPGAs sau procesoare.	Susține transferul rapid de date de conversie pe mai multe linii seriale.
Fibre Channel	Conectează servere și rețele de stocare.	Oferă comunicație fiabilă serială de mare viteză prin cupru sau fibră.
CXL	Conectează procesoare, memorie și acceleratoare.	Folosește semnalizare serială bazată pe PCIe pentru comunicația rapidă între dispozitive.
UCIe	Conectează chiplet-uri într-un singur pachet.	Oferă legături de mare lățime de bandă între die-uri pe distanțe scurte.

SerDes vs Interfețe Paralele și Alte Interfețe Serial

Interfețele paralele transferă mai multe biți în același timp pe linii de semnal separate, în timp ce SerDes transferă date serial pe una sau mai multe linii de mare viteză. Tabelul de mai jos compară principalele lor caracteristici.

Caracteristică	SerDes	Interfață Parale
Linii de semnal	Utilizează una sau mai multe linii seriale de mare viteză.	Utilizează multiple linii de date plus semnale de ceas și control.
Viteza de date	Prinputere mare pe mai puține conexiuni.	Limitată de scurgeri de ceas și sincronizarea semnalului la viteze mari.
Numărul de pini	Mai mic.	Mai mare.
Rutarea PCB	Rutare mai simplă cu mai puține trasee.	Mai complexă deoarece multe trasee trebuie să fie potrivite.
Scurgeri de ceas	Nu este afectată de scurgerile de ceas paralele.	Scurgerile de ceas devin mai dificile la viteze mai mari.
Distanța de comunicație	Susține canale mai lungi.	Cel mai bun pentru distanțe scurte.
Consumul de energie	Adesea mai mic pentru legături de mare lățime de bandă.	Poate crește pe măsură ce numărul de linii de semnal crește.
Integritatea semnalului	Mai potrivit pentru comunicația de mare viteză.	Mai afectat de scurgeri, crosstalk și decalaje în sincronizare.
Scalabilitate	Extensibil ușor prin creșterea vitezei liniei sau a numărului de linii.	Extinderea necesită de obicei linii de semnal suplimentare.

SerDes vs Alte Tehnologii Serial

SerDes este adesea confundat cu alte tehnologii seriale. Compararea următoare arată cum SerDes diferă de mai mulți termeni și interfețe conexe.

Tehnologie	Diferențe
Interfață Periferică Serială (SPI)	SPI este un protocol de comunicație de viteză mică. SerDes este o funcție de serializare și deserializare de mare viteză utilizată de multe interfețe.
LVDS	LVDS este un standard de semnalizare electrică diferențială. SerDes poate utiliza LVDS sau alte metode de semnalizare, în funcție de aplicație.
PHY	Un PHY este dispozitivul complet de strat fizic. SerDes este adesea un bloc funcțional în interiorul unui PHY.
Transceiver	Un transceiver este un circuit complet de transmitere și primire. Un transceiver SerDes include funcții de serializare și deserializare împreună cu alte circuite.
PHY Ethernet	Un PHY Ethernet implementează stratul fizic Ethernet și include de obicei unul sau mai multe blocuri SerDes, în funcție de standardul Ethernet.

Testarea, validarea și diagnosticarea SerDes

Validarea SerDes confirmă că legătura îndeplinește cerințele sale electrice și funcționale. Când apare o problemă, puteți utiliza diferite măsurători pentru a identifica cauza și a verifica soluția.

Teste comune de validare

Validare Test	Ce verifică
Testarea BER	Fiabilitatea legăturii și rata de eroare.
Testarea PRBS	Calitatea semnalului utilizând modele de date cunoscute.
Măsurarea diagramelor de ochi	Marjele de tensiune și timp.
Măsurarea jitter-ului	Stabilitatea temporizării semnalelor transmise și recepționate.
Testarea toleranței receiverei	Funcționarea receiverei în condiții de semnal degradate.
Testarea conformității transmițătorului	Iesirea transmițătorului îndeplinește limitele specificației.
Testarea loopback	Funcționarea corectă a transmițătorului, receiverei sau a legăturii complete.
Testarea marjei canalului	Tensiunea rămasă și marja de timp înainte de apariția erorilor.
Testarea aliniamentului lane-urilor	Sincronizarea corectă a mai multor lane-uri.
Conformitatea protocolului	Conformarea la standardul de comunicație.
Testarea interoperabilității	Compatibilitatea cu dispozitive din diferite surse.
Testarea tensiunii și temperaturii	Funcționarea stabilă în intervalul de operare suportat.

Depanarea SerDes

Simptom	Cauza probabilă	Verificare	Direcția corectivă
Legătura nu se inițiază	Problema cu ceasul, resetarea, alimentarea sau configurația	Verificați alimentările, ceasurile, resetarea și setările	Corectați condiția afectată
CDR nu se blochează	Semnal de intrare slab sau instabil	Verificați deschiderea ochiului, jitter-ul și nivelul semnalului	Îmbunătățiți calitatea semnalului sau sincronizarea
BER ridicat	Pierderi, zgomot, jitter sau egalizare slabă	Rulați teste BER, PRBS și de ochi	Îmbunătățiți canalul sau egalizarea
Ochi îngust sau închis	Reflexii, atenuație sau crosstalk	Măsurați marja ochiului și jitter-ul	Reduceți pierderile și discontinuitățile
Eșec de aliniere a lane-urilor	Aceeași deviere excesivă sau mapare incorectă	Verificați deskew și ordinea lane-urilor	Corectați temporizarea sau configurația lane-ului

Cum să îmbunătățiți performanța legăturii SerDes

Reglați transmițătorul.

Setați oscilația tensiunii de ieșire suficient de ridicată pentru o transmisie fiabilă, dar nu atât de ridicată încât să crească utilizarea energiei sau reflexiile. Utilizați pre-emphasis sau egalizare feed-forward (FFE) pentru a reduce efectul pierderilor din canal.

Reglați receiverele.

Ajustați CTLE pentru a restabili semnalele de înaltă frecvență slăbite. Utilizați DFE pentru a reduce interferența între biți. Egalizarea adaptivă poate actualiza automat aceste setări atunci când condițiile canalului se schimbă.

Îmbunătățiți calitatea ceasului și a alimentării.

Utilizați un ceas de referință stabil, cu jitter scăzut. Reduceți zgomotul surselor de alimentare cu o filtrare și decuplare adecvate în jurul circuitelor SerDes și ceasului.

Îmbunătățiți canalul.

Corectați problemele de impedanță la trasee, prinți, conectori și condensatori. Reduceți stubs lungi de prinți, utilizați conectori și cabluri adecvate și scurtați sau reîntoarceți canalele cu pierderi atunci când este posibil.

Verificați setările legăturii.

Verificați maparea lane-urilor, polaritatea, egalizarea și rata de funcționare. Rulați din nou antrenamentul legăturii după ce ați schimbat hardware-ul sau setările.

Măsurați rezultatele.

Verificați BER și marja ochiului după fiecare schimbare. Păstrați doar ajustările care îmbunătățesc clar fiabilitatea. Setările finale ar trebui să echilibreze performanța, utilizarea energiei și stabilitatea termică.