高速SERDES的多板传输技术与SI仿真研究

摘要：随着大数据的兴起以及信息技术的高速发展，总线只有不断地提高自身的运行标准才能稳定地完成数据传输工作。目前SERDES的传输功率为10Gbps，多板信号传输是高速设计的重难点。要想进一步提高SERDES的传输功率，就需要对PCB进行优化设计，并进一步开展设计、分析以及仿真工作，提升高速传输线路的运行效果。本文对SERDES的运行原理进行深入剖析，明确其基本的结构框架，以实际为出发点探究在多版信号传输的过程中对信号的完整性造成干扰的主要因素，了解构建数字模型的基本策略。阐述以实验电板为基础构建多型电板的模式，对SERDES的传输情况进行仿真研究，为SERDES传输技术的进一步发展提供坚实的助力。

关键词：多板传输技术;SI仿真;SERDES

SERDES的主要优势在于它的宽带较高，具有较少的阴角数目并且符合多个主流标准的要求，比如Advanced Switching Interface、1-Gb Ethernet以及Serial RapidIO等。

一、高速SERDES的多板传输技术

SERDES是解串器或者串行器的简称，是一种主流的点对点、多路复用的通信技术。在发送端时多路并行低速信号被转化为并行高速信号，借助铜线或者光缆，然后在接收端获取并行高速信号再把其转换为多路并行低速信号。这是一种点对点的通信传输模式，以信道容量为基础，把器件引脚数目和传输信道控制在合理的范围内，加快信号传播的速率，减少通信工作的成本支出。与并行总线进行比较，SERDES经过串化处理后它的互联线大大减少，这样能减低PCB布线的密度，并且不需要等延时布线或者时钟，工程操作模式简单，能为高速率和宽带的系统互联工作提供助力。

在SERDES大范围应用之前，借助源同步或者系统同步才能实现芯片之间的互联。如图所示：

接口的频率逐渐提高，在系统同步接口模式中，因为部分因素的限制所以导致数据窗口的数量无法继续增加。时钟抵达两个芯片时产生的传播延时存在一定的差异、并行數据所具有的bit延时处于不相等的状态、数据的播放延时和时钟的播放延时是不相同的。

目前在源同步接口的频率方面遇到一定阻碍，因为信道具有非理想的特点，如果一味地提高频率，就会对信号造成破坏，就需要应用数据时钟相位检测和均衡技术。而这项技术也是SERDES应用的技术。SERDES传输信息时采用差分方式，一个group中具有多个通道数据，他们共同使用一个PLL资源，并且每个通道具有相对对立性。SERDES还要对时钟进行参考，以差分的模式来降低噪音。发送端和接收端的参考时钟可能具有几百个频差，也可以是同频时钟，但没有对相位差有过高的要求[1]。

二、SERDES多板传输技术的要素与建模

第一，设计阻抗一致性。在传输高频信号的过程中，信号与其对应的回流之间发生了磁场和电场变化，在回流平面和导体之间存在着能变换的电磁场能量。在介质和传输线的作用下阻碍电磁场传播变化的特性就是阻抗性。这个特性与传输线的厚度、宽度、介电常数和与平面之间的距离有关。有时候对传输链路的各个要素进行计算无法对阻抗性进行有效地认识，这时需要进行仿真测试进行分析，对传输链上的各个要素的阻抗性进行科学控制。PCB印制线由带状线和微带线组成，阻抗性的计算公式为：微带线的计算公式是：

带状线特征阻性公式为：

其中代表介电常数，w是线宽，t为厚度，h是平面与信号线之间的距离。这些公式在PCB阻抗计算中发挥重要的作用。结合SERDES的差分特性，在对传输线路的阻碍进行控制时也要按照差分进行控制。

第二，差分过孔建模。在PCB设计中过孔是不可以规避的要素，其设计参数要满足传输链一致的要求，同时要满足生产可行性的需求。过孔由焊盘和钻孔这两部分组成。在进行高速设计时要最大程度地减小过孔，这样机身参数也会随之减小，为高速传输工作提供便利。但是，因为过孔的尺寸变小，其生产成本就会提高，所以也不能无限制地进行缩小工作。过孔在传输的过程中呈现不连续断点的情况，会出现信号反射的情况。电路在过孔时会出现寄生电容和电感。电容对电路造成的影响为数字信号的上升沿逐渐减少，电路速度降低。并且还会造成较大危害，降低电容的有效性，影响供电滤波的效果。所以，应该构建差分过孔模型，输入数据，得出最佳的过孔尺寸，在保障传输质量的基础上，减少制造成本[2]。

三、SI仿真探究

仿真技术能协助系统进行反复操作，避免重复设计的问题，缩短设计的时间，为设计的成功提供保障。对多版传输进行探究，借助Hyperlynx仿真环境对多版传输信号的完整性进行仿真探究工作。在SERDES多板传输中具有一块背板和两个子板，连接器把它们连接在一起。在Hyperlynx仿真环境构建模拟电路，如图所示：

这样能明确布线的布局规则，预估信号的损耗情况，分析预加重信号等。仿真的结果会对PCB系统的运行和规划造成影响。因为SERDES多板传输的速率较快，高频效应较为突出，能判断不同频率下的响应情况。所以进一步加强仿真的精准度。

4 结语

综上所述，SERDES多板传输技术的广泛应用能最大程度地促进I/O的发展。现阶段，它的各项功能已经被应用到提高精准度和速度的工作中。它在未来的工作中占据重要地位，所以要对PCB进行优化设计，进行适当的预加重和均衡，明确最佳的端接模式，从而保障信号的完整性，提高SERDES多板传输的可靠性。

参考文献：

[1]郭凯乐，王和明，刘涛，等.基于高速SerDes中非等值尾电流源技术的新型高线性度相位插值器设计[J].空军工程大学学报（自然科学版），2020，21（04）：61-67.

[2]文科，朱正，马敏舒.低成本SerDes在数据采集中的方案设计与应用[J].电子技术应用，2020，46（08）：88-91.

作者简介：王克均（1984— ），江苏海安人，助理工程师;研究方向：高速Serdes设计。

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