深入浅出理解SerDes

我们平时使用的I2C、串口等其实都是串行总线，但是因为他们速度较低、时序简单，所以很少在高速串行总线时被提及。但是在高速时代的今天，一些高速总线，如LVDS、MIPI、SERDES、SATA、USB等等，而我们在学习或者研究任何一种总线的时候，都要考虑这些总线的区别，才能在后续使用的过程中更好的进行应用。比如我拿到一块板子，这块板子比较低级，只有常见的LVDS没有MIPI总线，但是我外面需要接一个MIPI摄像头，这个时候应该怎么办？
图1 内容框图

我还是习惯用思维框图来讲解一些比较特殊的总线，这样可以从历史（来源）、组成及对比等多方面理解一个复杂的东西，下面就针对SerDes这一串行总线深入浅出的进行分析，因为要深入浅出的分析，所以会抛弃一些细节，希望大家理解。

SerDes作为一个总线基本还是遵循OSI参考模型《例说七层OSI参考模型》，所以分析SerDes主要包括两方面，一是物理层，二是协议层，其中物理层作为硬件设计、排故等的基础，协议层很简单就是软件、FPGA等设计的基础。

SerDes主要包括以下几个部分：

1、SerDes的前辈：LVDS SerDes，其中LVDS应该是大家比较熟悉的，这里不会展开，主要就是LVDS是1995年作为「ANSI/TIA/EIA-644」制定了标准规格的串行接口用物理层规格，为很多串行差分总线的发展奠定了基础，关于LVDS会作为第2部分重点介绍;

2、SerDes底层硬件包括早期的LVDS和现在CML：

SerDes信号层采用的LVDS工作在155Mbps~1.25Gbps之间，而CML(电流模式信号)在600Mbps和10+ Gbps。

因此现在SerDes一般使用CML。但是LVDS和CML信号可以互通，但要有外接电阻做电平转换。
接下来针对LVDS、CML等差分技术会详细的介绍；

3、接下来就是重点–SerDes技术，详解SerDes应用的几种技术，这部分不会详细展开，这部分有很多优秀的资料可以参考，会把参考资料分享给大家，有了前面的铺垫，阅读这些文档并不会太难；

4、最后就是总结一下SerDes串行总线的优缺点。
LVDS SerDes的基本原理理解串行总线高速、远距离、低杂音的特征
这部分就不展开说明了，会在下一部分详细介绍，其中大部分串行总线都具有高速、远距离和低噪音的特征。

SerDes信号层采用的LVDS工作在155Mbps~1.25Gbps之间，而CML(电流模式信号)在600Mbps和10+ Gbps，

因此现在SerDes一般使用CML。但是LVDS和CML信号可以互通，但要有外接电阻做电平转换。
上面已经详细介绍了LVDS，在阅读文档时，还时常看到CML、LVPECL，那么这些差分信号之间的差别是什么？
差分技术：LVDS、MLVDS、CML、LVPECL的区别与应用场景
差分传输是一种信号传输的技术，区别于传统的一根信号线一根地线的做法，差分传输在这两根线上都传输信号，这两个信号的振幅相同，相位相反。在这两根线上的传输的信号就是差分信号。信号接收端比较这两个电压的差值来判断发送端发送的逻辑状态。在电路板上，差分走线必须是等长、等宽、紧密靠近、且在同一层面的两根线。

图2 差分信号示意图

差分信号与传统的一根信号线一根地线（即单端信号）走线的做法相比，其优缺点分别是。

优点：

1.抗干扰能力强。干扰噪声一般会等值、同时的被加载到两根信号线上，而接收端关心的只是两信号的差值，所以外界的共模噪声可以被完全抵消。

2.能有效抑制电磁干扰（EMI）。由于两根线靠得很近且信号幅值相等，这两根线与地线之间的耦合电磁场的幅值也相等，同时他们的信号极性相反，按右手螺旋定则，那他们的磁力线是互相抵消的。两根线耦合的越紧密，互相抵消的磁力线就越多。泄放到外界的电磁能量越少。

3.时序定位准确。差分信号的接收端是两根线上的信号幅值之差发生正负跳变的点，作为判断逻辑0/1跳变的点的。而普通单端信号以阈值电压作为信号逻辑0/1的跳变点，受阈值电压与信号幅值电压之比的影响较大，不适合低幅度的信号。

4.发送端电流源始终导通，消除开关噪声带来的尖峰（单端技术中所需要）和大电流晶体管不断导通-关断造成的电磁干扰EMI。

缺点：

若电路板的面积非常吃紧，单端信号可以只有一根信号线，地线走地平面，而差分信号一定要走两根等长、等宽、紧密靠近、且在同一层面的线。这样的情况常常发生在芯片的管脚间距很小，以至于只能穿过一根走线的情况下。

几种典型差分信号（以下内容参考：https://www.jianshu.com/p/e36244b0b98c?utm_campaign=maleskine&utm_content=note&utm_medium=seo_notes&utm_source=recommendation）

为了实现高速数据传输，有多种差分技术可供选择。这些差分技术都有差分信号几个共同的优点，但是在性能、功耗和应用场景上有很大的区别。下图列举了最常用的几种差分信号技术和它们的主要参数。

图3 各种差分技术的工业标准

LVDS信号摆幅低，为350mv，对应功耗很低，速率达到3.125Gbps。总的来说，终接方法简单、功耗和噪声低等优点，使得LVDS成为几十Mbps至3Gbps、甚至更高的应用之首选。