SERDES 信号 常用协议及信号电平

前言: 

另外,我懒,能用图说明的,尽量少废话,照例,有问题留言,哈哈。

1. 什么是单端信号?

 如下图,信号连线是单根信号走线,其回流路径是参考GND平面。



2. 什么是差分信号?
如下图:信号传输是通过V+ 和 V- 两根振幅相等,相位相反的差分信号来传输的,信号的回流路径,既有差分线对之间的耦合,也有差分信号参考的GND平面。
高电平 1 : V+ 减去V-  大于0;
低电平 0 : V+ 减去V-  小于0;
下图示意单端信号和差分信号的逻辑电平:

3.什么是SerDes信号?
SerDes(Serializer/Deserializer)是一种用于高速数据传输的关键技术,通过将并行数据转换为串行差分信号进行传输,再在接收端将串行差分数据还原为并行数据进行处理。

SerDes信号的核心技术包括 时钟数据恢复CDR,发送端的预加重/去加重,接收端的均衡技术,保证信号完整性及同步。

下图示意SERDES接口框图:

下图示意SERDES接口核心技术:

4. 什么是预加重(Pre-emphasis)?
预加重(Pre-emphasis):信号传输线表现出来的是低通滤波特性,传输过程中信号的高频成分衰减大,低频成分衰减少。预加重技术的思想就是在传输线的始端增强信号的高频成分,以补偿高频分量在传输过程中的过大衰减。我们知道,信号频率的高低主要是由信号电平变化的速度决定的,所以信号的高频分量主要出现在信号的上升沿和下降沿处,预加重技术就是增强信号上升沿和下降沿处的幅度。预加重可以减少信号在传输链路中的失真,提高信号的眼高,从而减少抖动。

5.什么是去加重(De-emphasis)?
去加重(De-emphasis):去加重是保持信号上升沿和下降沿处的幅度不变,其他地方信号减弱,这样做使得补偿后的信号摆幅比预加重补偿后的信号摆幅小,眼图高度低,功耗小,EMC辐射小。

预加重和去加重技术实现方法如下图所示:

6. 什么是接收均衡?
前面介绍的预加重和去加重能很好的补偿信号在传输过程中的损耗,改善信号质量,但是预加重和去加重技术也存在一些缺陷,比如当线路上存在串扰时,预加重和去加重会将高频串扰分量放大,增大串扰的危害。为了弥补预加重和去加重技术的缺陷,后来就出现了均衡技术。跟预加重和去加重不同,均衡技术在信号的接收端使用,它的特性相当于一个高通滤波器。其原理如下:

SERDES信号接收侧框架图:

7. 预加重/去加重寄存器配置
预加重/去加重寄存器配置,可以依据下面公式计算估算值,然后依据眼图测量结果设置最终值。
 
预加重配置值=PCB材料单位长度的insertion loss x 走线长度

8. SERDES信号支持的协议
    SERDES信号支持的协议参考下图:


9. SDH帧结构

算力服务器城际之间的信息交互需要依托SDH传输网,所以下图示意一下SDH的帧结构,方便大家理解信息是怎么传送的。

SDH帧结构中,帧头结构主要由 帧定位字节 和 段开销(SOH) 组成,其中SOH又进一步分为 再生段开销(RSOH) 和 复用段开销(MSOH)。 帧定位字节是SDH帧的起始标识,用于同步接收端设备的数据处理流程。

10. 以太网的帧结构

OSI七层模型为网络的标准层次划分, 对应以太网,则为TCP/IP 五层模型。
应用层

应用层是为操作系统或网络应用程序提供访问网络服务的接口。
应用层数据传输的基本单位是报文,对应的主要协议有: 
FTP :文件传送协议
Telnet : 远程登录协议
DNS:域名解析协议
SMTP:简单邮件传送协议
POP3协议:邮局协议版本3
HTTP协议:Hyper Text Transfer Protocol,超文本传输协议

传输层

传输层负责将上层数据分段并提供连接管理,差错检测和流量控制;建立无连接或者面向连接的通信。
包含的主要协议有 TCP协议和 UDP协议,
TCP: Transmission Control Protocol,提供面向连接服务的协议
UDP:User Datagram Protocol,提供无连接服务的协议。

网络层

网络层负责对子网间的数据包进行路由选择,此外,网络层还可以实现拥塞控制、网际互连等功能;基本数据单位为IP数据包;
包含的主要协议有:
IP协议:Internet Protocol,因特网互联协议;
ICMP协议:Internet Control Message Protocol,因特网控制报文协议;
ARP协议:Address Resolution Protocol,地址解析协议;
RARP协议:Reverse Address Resolution Protocol,逆地址解析协议。

数据链路层 
数据链路层主要负责将IP数据包封装成帧,并进行流量控制,数据检错,重发等,为网络层提供可靠的数据传输,其基本单位为帧。

物理层 
物理层是传输数据的物理媒体,以太网电口传输介质为网线, 以太网光口传输介质为光纤。

10G BASE-R 以太网模型图解

10G BASE-KR 以太网模型图解(支持自协商和FEC功能):
【 PCIE协议上一篇有讲,其他协议以后再说 :) 】
11. 差分信号支持的电平



12. LVDS

LVDS: Low Voltage Differential Signaling  低电压差分信号

LVDS的发送与接收的基本结构如下图所示:

它使用两根线(即差分信号线)来传输一个信号,并且使用恒流源(Current Source)驱动,即电流驱动型。


13, LVPECL
LVPECK: Low voltage positive emitter coupled logic, 低压正发射极耦合逻辑
是一种差分逻辑电平标准,主要用于高速数据传输,具有低功耗和高抗干扰能力,可以支持10Gbps 的工作速率。




14. CML 电平
CML: Current mode logic,  
CML是一种用于高速数据接口的电平标准,特别适用于高频段工作的场合。CML电平的主要特点是接口简单、高速,并且由于信号摆幅较小,因此功耗也相对较低。

CML信号的单端输入阻抗为50Ω,差分输入阻抗为100Ω。
CML与CML之间的连接可以是直流耦合方式,当收发两端的器件使用相同的电源时,不需要加任何器件。
如果CML收发两端器件采用不同电源,通常需要考虑交流耦合。

CML电平适用于信号速率在3.125到12.5Gb/s之间,常见的信号摆幅为400到900mV,而差分输入信号摆幅为100到900mV。

15. HCSL 电平

HCSL:高速电流控制逻辑(High-speed Current Steering Logic),

用于PCIe2.0电气规范中定义对RefClk时钟所定义的标准;

PCIe时钟采用HCSL这个电平标准使RC(CPU)侧与EP(子卡)侧时钟,

在不同生产厂家之间能够保持电平兼容。

END.