高速SERDES的多板傳輸技術與SI仿真研究

摘要：隨著大數據的興起以及信息技術的高速發展，總線只有不斷地提高自身的運行標準才能穩定地完成數據傳輸工作。目前SERDES的傳輸功率為10Gbps，多板信號傳輸是高速設計的重難點。要想進一步提高SERDES的傳輸功率，就需要對PCB進行優化設計，并進一步開展設計、分析以及仿真工作，提升高速傳輸線路的運行效果。本文對SERDES的運行原理進行深入剖析，明確其基本的結構框架，以實際為出發點探究在多版信號傳輸的過程中對信號的完整性造成干擾的主要因素，了解構建數字模型的基本策略。闡述以實驗電板為基礎構建多型電板的模式，對SERDES的傳輸情況進行仿真研究，為SERDES傳輸技術的進一步發展提供堅實的助力。

關鍵詞：多板傳輸技術;SI仿真;SERDES

SERDES的主要優勢在于它的寬帶較高，具有較少的陰角數目并且符合多個主流標準的要求，比如Advanced Switching Interface、1-Gb Ethernet以及Serial RapidIO等。

一、高速SERDES的多板傳輸技術

SERDES是解串器或者串行器的簡稱，是一種主流的點對點、多路復用的通信技術。在發送端時多路并行低速信號被轉化為并行高速信號，借助銅線或者光纜，然后在接收端獲取并行高速信號再把其轉換為多路并行低速信號。這是一種點對點的通信傳輸模式，以信道容量為基礎，把器件引腳數目和傳輸信道控制在合理的范圍內，加快信號傳播的速率，減少通信工作的成本支出。與并行總線進行比較，SERDES經過串化處理后它的互聯線大大減少，這樣能減低PCB布線的密度，并且不需要等延時布線或者時鐘，工程操作模式簡單，能為高速率和寬帶的系統互聯工作提供助力。

在SERDES大范圍應用之前，借助源同步或者系統同步才能實現芯片之間的互聯。如圖所示：

接口的頻率逐漸提高，在系統同步接口模式中，因為部分因素的限制所以導致數據窗口的數量無法繼續增加。時鐘抵達兩個芯片時產生的傳播延時存在一定的差異、并行數據所具有的bit延時處于不相等的狀態、數據的播放延時和時鐘的播放延時是不相同的。

目前在源同步接口的頻率方面遇到一定阻礙，因為信道具有非理想的特點，如果一味地提高頻率，就會對信號造成破壞，就需要應用數據時鐘相位檢測和均衡技術。而這項技術也是SERDES應用的技術。SERDES傳輸信息時采用差分方式，一個group中具有多個通道數據，他們共同使用一個PLL資源，并且每個通道具有相對對立性。SERDES還要對時鐘進行參考，以差分的模式來降低噪音。發送端和接收端的參考時鐘可能具有幾百個頻差，也可以是同頻時鐘，但沒有對相位差有過高的要求[1]。

二、SERDES多板傳輸技術的要素與建模

第一，設計阻抗一致性。在傳輸高頻信號的過程中，信號與其對應的回流之間發生了磁場和電場變化，在回流平面和導體之間存在著能變換的電磁場能量。在介質和傳輸線的作用下阻礙電磁場傳播變化的特性就是阻抗性。這個特性與傳輸線的厚度、寬度、介電常數和與平面之間的距離有關。有時候對傳輸鏈路的各個要素進行計算無法對阻抗性進行有效地認識，這時需要進行仿真測試進行分析，對傳輸鏈上的各個要素的阻抗性進行科學控制。PCB印制線由帶狀線和微帶線組成，阻抗性的計算公式為：微帶線的計算公式是：

帶狀線特征阻性公式為：

其中代表介電常數，w是線寬，t為厚度，h是平面與信號線之間的距離。這些公式在PCB阻抗計算中發揮重要的作用。結合SERDES的差分特性，在對傳輸線路的阻礙進行控制時也要按照差分進行控制。

第二，差分過孔建模。在PCB設計中過孔是不可以規避的要素，其設計參數要滿足傳輸鏈一致的要求，同時要滿足生產可行性的需求。過孔由焊盤和鉆孔這兩部分組成。在進行高速設計時要最大程度地減小過孔，這樣機身參數也會隨之減小，為高速傳輸工作提供便利。但是，因為過孔的尺寸變小，其生產成本就會提高，所以也不能無限制地進行縮小工作。過孔在傳輸的過程中呈現不連續斷點的情況，會出現信號反射的情況。電路在過孔時會出現寄生電容和電感。電容對電路造成的影響為數字信號的上升沿逐漸減少，電路速度降低。并且還會造成較大危害，降低電容的有效性，影響供電濾波的效果。所以，應該構建差分過孔模型，輸入數據，得出最佳的過孔尺寸，在保障傳輸質量的基礎上，減少制造成本[2]。

三、SI仿真探究

仿真技術能協助系統進行反復操作，避免重復設計的問題，縮短設計的時間，為設計的成功提供保障。對多版傳輸進行探究，借助Hyperlynx仿真環境對多版傳輸信號的完整性進行仿真探究工作。在SERDES多板傳輸中具有一塊背板和兩個子板，連接器把它們連接在一起。在Hyperlynx仿真環境構建模擬電路，如圖所示：

這樣能明確布線的布局規則，預估信號的損耗情況，分析預加重信號等。仿真的結果會對PCB系統的運行和規劃造成影響。因為SERDES多板傳輸的速率較快，高頻效應較為突出，能判斷不同頻率下的響應情況。所以進一步加強仿真的精準度。

4 結語

綜上所述，SERDES多板傳輸技術的廣泛應用能最大程度地促進I/O的發展。現階段，它的各項功能已經被應用到提高精準度和速度的工作中。它在未來的工作中占據重要地位，所以要對PCB進行優化設計，進行適當的預加重和均衡，明確最佳的端接模式，從而保障信號的完整性，提高SERDES多板傳輸的可靠性。

參考文獻：

[1]郭凱樂，王和明，劉濤，等.基于高速SerDes中非等值尾電流源技術的新型高線性度相位插值器設計[J].空軍工程大學學報（自然科學版），2020，21（04）：61-67.

[2]文科，朱正，馬敏舒.低成本SerDes在數據采集中的方案設計與應用[J].電子技術應用，2020，46（08）：88-91.

作者簡介：王克均（1984— ），江蘇海安人，助理工程師;研究方向：高速Serdes設計。

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