现在的高速电路设计中，SerDes的应用几乎无处不在，如下图所示的一款SoC，其外设接口除了少量普通的IO，几乎都是SerDes专用接口，因此，电路设计中对于SerDes接口电路的熟知程度，几乎就决定了设计的成败。

        本文以概述的形式，陈述了SerDes电路设计中的关键技术元素，让读者了解这些基本概念的同时，也为后续的系列文章进行铺垫。

        SerDes有四种架构： 并行时钟、嵌入式时钟、8b/10b编码、位交错，常见的架构是一种基于8b/10b编码并且时钟嵌入进数据流中的架构。

8b/10b编码

        8b/10b编码是由IBM于1983年发明的，旨在解决系统互联以及吉比特（Gbit）数据传输问题。 是指将8bit的数据通过某种编码规则扩展成10bit，保证数据流中的“0”和“1”数量基本一致，通过降低效率来增加传输的数据恢复的可靠性。8b/10b 主要具有以下优点：

        1. 保证直流（DC）平衡：由于串行链路中会有交流耦合电容，信号频率越高，阻抗越低，反之频率越低，阻抗越高。当码型是高频的时候，基本上可以无损耗的传输，但是当码型为连续“0”或者“1”的情况时，电容的损耗就很大，导致幅度不断降低，带来的严重后果是无法识别到底是“1”还是“0”。因此编码就是为了尽量把低频的码型优化成较高频的码型，从而保证低损耗的传输过去。8b/10b编码方式总输出位数是10个，其中“0”与“1”出现组合总共存在三种，分别为“5个位0与5个位1”、“4个位0与6个位1”、“6个位0与4个位1”；

        2. 有利于提取时钟：时钟恢复依赖于“电平跳变沿“（后面会介绍），所以平衡”0“和”1“的数量，可以简化时钟恢复，降低接收机成本；

        3. 方便错误检查：8b/10b编码采用冗余方式，将8位的数据和一些特殊字符按照特定的规则编码成10位的数据，根据这些规则，能检测出传输过程中单个和多个比特误码。

        如图所示，为8b/10b编码的实例展示：

        一个完整的8b/10b SerDes模块，串行器（Serializer）由8b/10b编码器、PRBS码生成器、并串转换电路、差分信号发送器、PLL等模块构成；解串器（De-serializer）包括差分信号接收器、CDR（时钟数据恢复电路）、串并转换电路及8b/10b解码器。

        SerDes是典型的复杂数模混合系统，除编解码实现外，还有PRBS生成和检查、环回测试、自适应算法实现、系统状态控制数字实现等等，需要数字电路和模拟电路、信号与系统、通信原理、微波和射频电路、电磁场、信号和电源完整性等背景知识，对设计者的综合知识要求比较高。

扰码功能

        扰码是一种将数据重新排列或者进行编码以使其随机化的方法，但是必须能够解扰恢复。目的是为了打乱长的连“0”和长的连“1”序列，将数据随机化。扰码产生是通过循环移位寄存器来实现的，而扰码生成多项式决定循环移位寄存器的结构。 这样做的好处还有：能量被分散开，降低了EMI问题，同时又扩展了基带信号频谱，起到了加密的效果。

对齐逻辑

        接收端除了De-serializer之外，一般还有对齐功能逻辑（Aligner）。相对SerDes发送端，SerDes接收端起始工作的时刻需要判断从什么bit位置开始（哪里开始算是第一个数据），以分解组成正确的并行数据。对齐逻辑通过在串行数据流中搜索特征码字（Alignment Code）来决定串并转换的起始位置，这就需要用到了8b/10b的控制字符集，也就是我们常说的“K”字符，常见的K28.5、K28.0、K28.3、K28.4等。

前向反馈均衡（feed-forward equalization/equalizer）

        SerDes信号从发送芯片到达接收芯片所经过的路径称为信道（channel），包括芯片封装、PCB走线、过孔、电缆、连接器等元件。

        从频域看，信道可以简化为一个低通滤波器（LPF）模型（趋肤效应及介质损耗的影响），如果SerDes的速率大于信道的截止频率，就会一定程度上损伤信号（高频被滤掉了，数字信号边沿会变得平滑）。均衡器的作用就是补偿信道对信号的高频损伤。发送端的均衡器采用FFE（Feed forward equalizers）结构，从频域上看，FFE是一个高通滤波器（容易理解，信道损伤是一个低通滤波器，会抑制高频，那么均衡就补偿高频）。从时域上看，又叫加重器（emphasis）。加重分为去加重（De-emphasis）和预加重（Pre-emphasis）。De-emphasis 降低差分信号上升下降沿处的摆幅（swing）。Pre-emphasis增加差分信号上升下降沿处的摆幅。大部分应用会使用De-emphasis的方式，因为去加重补偿后的信号摆幅小，眼图高度低，从而功耗小、EMC辐射量小。

接收均衡器

        接收端均衡器的目标和发送均衡器是一致的。对于低速（<5Gbps）SerDes，通常采用连续时间域、线性均衡器（CTLE）实现，如尖峰放大器（peaking amplifier）， 均衡器对高频分量的增益大于对低频分量的增益，增益补偿一般在10dB左右。对于高速（>5Gbps）SerDes，由于信号的抖动（如ISI相关的确定性抖动）可能会超过或接近一个符号间隔（UI，Unit Interval），单单使用线性均衡器不再适用。线性均衡器将噪声和信号一起放大，并没有改善信噪比（SNR）或者误码率（BER）。

        对于高速SerDes，采用一种称作判决反馈均衡（Decision Feedback Equalizer - DFE）的非线性均衡器。DFE通过跟踪过去多个UI的数据（history bits）来预测当前bit的采样门限，从而预测码间干扰。DFE只对信号放大，不对噪声放大，可以有效改善SNR。目前常见的CTLE+DFE均衡的最大增益在20dB左右。

        DFE设计的关键是确定DFE系数，如果DFE的系数接近信道的脉冲响应，就可以获取比较理想的结果。但是信道是一个时变的媒介，比如温度电压工艺的快慢（PVT corner）变化等因素会改变信道的特性。因此DFE的系数需要自适应算法（Self adaptive algorithm），自动补获和跟随信道的变化。这也是实际应用中DFE功能开启的时候，做环境试验的结果很多时候会出问题，因为DFE在信道特性变化的时候，自适应的速度没有跟上。DFE系数自适应算法非常学术，每个厂商的算法都是保密的，不对外公布。

        实际设计中，可以根据通道的插入损耗程度，进行大致的设计评估和功能预判：

        不论是发送端还是接收端的均衡器，本质上都是高通滤波器，因为数字信号采样都希望边沿越抖越好，边沿变缓之后就会产生码间干扰ISI。

时钟数据恢复（CDR）

        CDR（ Clock and Data Recovery）即时钟和数据的恢复，是SerDes设计中非常重要的环节。CDR常用的技术有基于数字锁相环（PLL）和基于相位插值器两种。当数据经过时，CDR就会捕获数据边沿跳变的频率，如果数据长时间没有跳变，CDR就无法得到精确的训练，CDR采样时刻就会漂移，可能采到比真实数据更多的“0”或“1”。这就是前文所述为什么在发送的时候采用8b/10b编码或扰码来避免重复出现“0”或“1”，原因之一也在此。所以CDR有一个指标叫做最长连“0”或连“1”长度容忍（Max Run Length或者Consecutive Identical Digits）能力。 恢复了时钟之后，需要恢复数据。首先要将恢复出来的时钟与数据进行对齐（通过调整本地时钟的相位完成对带有通道损伤和各级模块噪声的TX 串行数据的重定时，找到最佳的采样时刻，以使RX本地时钟边沿与TX数据中心位置对齐，实现最佳采样，同时减小Jitter ），然后再将数据给读出来。在硬件原理上，就是使用PLL电路以及触发器。