工業用串聯器和解串器，也被稱為串列/解串列器(SerDes)設備，為提供減少高頻寬資料介面匯流排寬度的方法，這是用串列器將大範圍平行資料串轉換成一個減少數量的位元，甚至轉換成低壓差動訊號(LVDS)，以降低成本及能靈活的操作電纜。這些資料隨後會被解串列器在終點擴展回平行資料串。這些裝置的應用是廣泛而多樣化的。
早期SerDes方案問題橫生
早期的SerDes產品如Channel Link I裝置(圖1)，運用離散時脈線路，串聯一個寬平行資料匯流排(高至48位元)到一個多通道LVDS匯流排。比起過往從A點到B點獲取資料的最佳方法是從板上帶狀電纜的寬資料匯流排，這已經是極好的改善。
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| 圖1 早期的SerDes產品--Channel Link I裝置 |
但問題是，在某些情況下，好的解決方案效果又是那麼糟，包括對間延遲差(時間點)、電磁干擾和有限的電纜長度都是問題。對間延遲差造成使用電纜線長度受限，或者被迫必須使用低失真電纜，以上兩個方法都是比較昂貴，而且會對電源造成挑戰。它曾經是唯一的方法，但直到最近，這已經不是僅有的選擇。
串聯資料/時脈至單一差分對可解套
較新的工業用SerDes已經解決許多前一代SerDes這方面的問題。它透過串聯資料和時脈到單一差分對而解決問題，因此排除電纜失真的問題，讓設計師有許多電纜的選擇性。不同於受限於昂貴的延遲式控制電纜，新一代的SerDes解決方案允許使用低成本電纜，例如非屏蔽雙絞線或同軸電纜。
另一個重要的改善是，減少電磁干擾相關的問題。當然，在電磁干擾方面也有內部的改善，它是在LVDS發射訊號的基礎上執行，而不是在寬廣單一匯流排。然而，許多較新的SerDes裝置內建減輕電磁干擾技術，包括使用擴散頻譜產生時脈，及使用資料編碼以解散離散頻率/諧波的不規則隨機技術。
到目前為止，電纜線的延伸範圍已經被限制在以上注意的問題中發展，而且SerDes也無法做到完全平衡輸入的資料，以補償傳輸媒介中寄生組件引起的損耗。在嘗試延伸實際的電纜線時，通常會導致資訊不可恢復的封閉眼圖。對高速傳輸理論較為實際的人來說，電纜僅是一個低傳動過濾器。
訊號還原/電纜等化功能出爐
新一代的SerDes通常包括訊號還原和電纜等化的功能，以平衡高頻損失和放大收到的訊號的問題，因此能夠讓電纜長度較原本來得長。如此一來，產品就可以在眼圖上打開，從而減少資料中位元誤差的問題。
美國國家半導體(NS)全新的Channel Link II SerDes(圖2)，在傳輸端的DS92LV2421串列器與接收端DS92LV2422解串列器電纜等化中可以進行訊號還原。圖3所示為在三個測試點沿著訊號路徑進行1.8Gbit/s速率的模擬訊號。第一欄圖顯示TP1的波形，沒有訊號還原而設置在-3.3分貝(db)。在傳輸媒介傳導端預料的高頻損失有訊號還原平衡。
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| 圖2 美國國家半導體Channel Link II SerDes |
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| 圖3 在三個測試點沿著訊號路徑進行1.8Gbit/s速率的模擬訊號 |
在Channel Link II的範例中，裝置了訊號還原和等化器(EQ)是被內部的記錄器和八個設置所控制。訊號還原和等化器的使用會有令人印象深刻的效果，如TP3的數據所示。一個VOD=840毫伏特(mV)(TP1特定的輸出電壓)沒有訊號還原或等化的訊號，在TP3會有290毫伏特的振幅和403pS的抖動。而有-3.3dB訊號還原-3.3dB等化的訊號會有825毫伏特的振幅和142pS的振動。
以下是從TP1和TP3數據所顯示的示波器屏幕截圖，使用1.8Gbit/s資料負載的10米(m)CAT-6 STP電纜(圖4)。在這個實例中，由於這不是模擬，可測量的資料點是輸入到解串列器，不是等化器。在等化器接收資料後，就能看到巨大的效果。當等化器設置在0dB，眼圖實際上是關閉的。而等化器設置在6dB時，可以看到眼圖充分地回復。資料復原不可或缺的是時脈資料回復(Clock Data Recovery, CDR)電路，它在解串列器中跟隨著等化器的階段。以一個關閉50%或0.5UI(典型值)眼圖而言，時脈資料回復是設計來回復資料以免於位元誤差。
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| 圖4 從TP1和TP3數據所顯示的示波器屏幕截圖 |
美國國家半導體Channel Link III元件DS92LX1621和DS92LX1622是SerDes更進一步的實例，而且已經解決過往的問題。圖5所示為串列器可以直接連接一個16位元攝影機的LVCMOS平行匯流排，透過單一、連接交流電及電流模式邏輯(CML)線路將資料等化。請注意時脈和攝影機雙向的I2C控制線會同時編碼到串聯的資料中。串聯的資料、時脈和I2C線路之後會被解串回16位元的平行匯流排，在接收端的時脈和I2C會連接視訊影像擷取或現場可編程閘陣列(FPGA)。毋須為解串列器加設外部的時脈，如此就可降低設計的成本和複雜性。而且解串列器自動同步更新到串列器能夠真的實現隨插即鎖(Plug and Lock)效能。
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| 圖5 串列器可以直接連接一個16位元攝影機的LVCMOS平行匯流排，透過單一、連接交流電及電流模式邏輯線路將資料等化。 |
圖6為另一個更容易也更靈活的工業用SerDes的實例，這是從圖形或視訊處理器進行遠程安裝。影像處理器有21位元的平行匯流排和顯示器，可以由I2C控制，且觸摸式螢幕控制板被定位在15米遠的地方。就像之前的實例，資料、時脈和I2C線路都被串聯到一個1.05Gbit/s(21×50MHz)的資料有效負載的單一差分對組。如此已夠提供很大的設計靈活性。這裡可以使用許多這樣的工業用SerDes，包括在本文所敘述的廣泛應用，亦即須在低成本媒介、從點對點會有一些可預見距離上移動資料。
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| 圖6 從圖形或視訊處理器進行遠程安裝的工業用SerDes |
工業用SerDes不僅有廣泛的產品應用，同時在安裝上時會有很大的靈活性，圖5、6的資料格式在串列和解串列前後一樣。這些SerDes的功能可透過解串器本身轉換資料格式。
如圖7所示，DS92LV2421抓取24位元的RGB資料同步、時脈和控制訊號後，將這些資料串聯到一個差對組。在電纜接收端的資料被解串到四個LVDS線路和時脈，可簡化和降低設計成本。
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| 圖7 抓取24位元的RGB資料同步、時脈和控制訊號後，將這些資料串聯到一個差對組。 |
本文討論的SerDes能簡化產品結構、降低成本，同時改善設計的靈活性。此外，許多SerDes都內建自我測試(BIST)模式，可允許高速串列連結的測試，這在系統排除障礙及產品測試非常有用，同時設計擴散頻譜產生時脈以減輕電磁干擾。展頻時脈產生器受I2C控制，也允許為應用選擇適合的時脈展頻率如±0.5%、±1%和±2%。
(本文作者任職於美國國家半導體)