SerDes (Serializer/Deserializer) Gids: Hoe het werkt, ontwerp, toepassingen en testen
2026-07-31 577

Hogesnelheid digitale systemen moeten grote hoeveelheden gegevens snel en betrouwbaar overdragen. SerDes-technologie maakt dit mogelijk door parallelle gegevens om te zetten in een hogesnelheid seriële stroom en deze via minder verbindingen te verzenden. Dit vermindert PCB-sporen, connectorpinnen en routingproblemen terwijl het hoge bandbreedte ondersteunt. Deze gids legt uit hoe SerDes werkt, de belangrijkste componenten, signalingmethoden, specificaties, PCB-ontwerppraktijken, toepassingen, testen, probleemoplossing en manieren om de linkprestaties te verbeteren.

Catalogus

Figuur 1. SerDes Hogesnelheid Gegevensconversie

Wat is een SerDes en waarom wordt het gebruikt?

Een Serializer/Deserializer, of SerDes, is een schakeling die parallel digitale gegevens omzet in seriële gegevens en deze aan de ontvangende kant weer terug omzet in parallelle gegevens. De serializer combineert verschillende parallelle gegevensbits in één hogesnelheid seriële stroom. De deserializer ontvangt die stroom en herstelt de oorspronkelijke parallelle gegevens.

Parallelle communicatie verzendt verschillende bits tegelijkertijd via meerdere signaallijnen. Seriële communicatie verzendt de bits één voor één via één kanaal of een klein aantal signaalparen. Hogesnelheidssystemen maken gebruik van SerDes omdat parallelle interfaces veel PCB-sporen, IC-pinnen, en connectorcontacten vereisen. Naarmate de datasnelheden toenemen, wordt het moeilijker om deze verbindingen te routen en te controleren. SerDes vermindert het aantal fysieke verbindingen terwijl het toch snelle gegevensoverdracht ondersteunt.

De belangrijkste voordelen van SerDes zijn:

• Kleinere interfaces

• Minder PCB-sporen en connectorpinnen

• Eenvoudigere bordrouting

• Hogere datasnelheden over minder verbindingen

• Langere communicatiedista

• Eenvoudigere systeemuitbreiding

• Lagere systeemaankosten bij geschikte ontwerpen

Hoe werkt Serializer/Deserializer-technologie

Figuur 2. Full-Duplex SerDes-linkdiagram

Een SerDes-link verzendt gegevens via een hogesnelheid kanaal tussen een zender en een ontvanger. Aan de zendkant worden de gegevens voorbereid, getimed en verzonden via een PCB-spoor, kabel of backplane. De ontvanger detecteert en conditioneert vervolgens het binnenkomende signaal.

Klok- en dataherstel identificeert de juiste samplingtijd vanuit de signaalovergangen. De ontvanger stelt de herstelde gegevens in lijn en stuurt deze door naar de apparaatslogica. Een SerDes-koppeling kan in één richting werken of aparte verzend- en ontvangspaden gebruiken voor full-duplex communicatie. Het kan ook meerdere lanes gebruiken om de totale bandbreedte te verhogen.

Een referentieklok biedt een stabiele timing, terwijl synchronisatie de ontvanger helpt om de gegevens correct te reconstrueren.

SerDes Zender- en Ontvangercomponenten

Een SerDes-transceiver combineert analoge, gemengd-signaal- en digitale blokken. Elk blok voert een specifieke taak uit bij het voorbereiden, verzenden, ontvangen of reconstrueren van hoog-snelheidsgegevens.

Figuur 3. SerDes Zender- en Ontvangerblokdiagram

Zendercomponenten

Component	Hoofdfunctie
Parallelle invoerinterface	Ontvangt parallelle gegevens van de apparaatslogica.
Serializer	Zet parallelle gegevens om in een seriële bitstream.
Zender-PLL of klokcircuit	Genereert de hoog-snelheidsverzendklok.
Codering of tandwielblok	Past de datagrootte aan of bereidt gegevens voor verzending voor.
Pre-emphasis of FFE	Compenseert voor signaalverlies in het kanaal.
Uitgangsdriver	Stuurt het seriële signaal in het transmissiekanaal.
Uitgangsafsluiting	Past de impedantie aan en helpt reflecties te verminderen.

Ontvangercomponenten

Component	Hoofdfunctie
Ingangsafsluiting	Past de kanaalimpedantie aan bij de ontvangerinvoer.
Ontvanger voorin	Detecteert en versterkt het binnenkomende signaal.
CTLE	Compenseert voor signaalverlies bij hoge frequenties.
Variabele versterker	Past het ontvangen signaalniveau aan wanneer nodig.
Klok- en dataherstel	Herstelt de samplingklok en gegevens.
DFE	Vermindert interferentie veroorzaakt door eerdere bits.
Deserializer	Zet seriële gegevens terug om in parallelle gegevens.
Woordaligner	Vindt de juiste grenzen van datagewoorden.
Lane deskew-circuit	Stelt gegevens die ontvangen zijn via meerdere lanes in lijn.
Elastische buffer	Verwerkt kleine timingverschillen tussen klokdomeinen.

SerDes Signaling, Codering en Gegevensoverdracht

SerDes verzendt digitale gegevens als hoog-snelheids elektrische signalen. Om betrouwbare communicatie te behouden, worden de gegevens weergegeven, gecodeerd en georganiseerd voordat ze door het transmissiekanaal worden verzonden.

Differentieel signaleren

De meeste SerDes-interface gebruiken differentiële signalering, waarbij twee complementaire signalen dezelfde gegevens dragen. De ontvanger detecteert het spanningsverschil tussen de twee signalen in plaats van hun individuele spanningsniveaus. Deze methode verbetert de ruisimmuunheid, vermindert elektromagnetische interferentie (EMI) en ondersteunt hoog-snelheidsgegevensoverdracht.

NRZ- en PAM4-signalen

SerDes gebruikt doorgaans twee signaalmethoden:

Signaalmethoden	Beschrijving
NRZ (Non-Return-to-Zero)	Gebruikt twee spanningsniveaus om binair 0 en 1 voor te stellen. Elk symbool draagt één bit.
PAM4 (Pulse Amplitude Modulation 4)	Gebruikt vier spanningsniveaus, zodat elk symbool twee bits kan dragen en de gegevensdoorvoer verhoogt.

De symbolenfrequentie is het aantal verzonden symbolen per seconde, terwijl de bitsnelheid het aantal verzonden databit is. Met PAM4 kan de bitsnelheid twee keer de symbolenfrequentie zijn, omdat elk symbool twee bits vertegenwoordigt.

Codering en scrambling

Voor verzending verwerken veel SerDes-koppelingen de gegevens om de synchronisatie en signaalkwaliteit te verbeteren. Veelgebruikte methoden zijn 8b/10b- en 64b/66b-codering, die helpen om DC-balans te behouden en voldoende signaalovergangen te bieden voor klokherstel. Sommige systemen gebruiken ook scrambling om het gegevenspatroon te randomiseren en descrambling bij de ontvanger om de oorspronkelijke gegevens te herstellen.

Gegevenskadering, foutcorrectie en lane-distributie

De verzonden stream kan controle-symbolen en kaderinformaties bevatten, zodat de ontvanger het begin en het einde van gegevensblokken kan identificeren. Sommige hoog-snelheidskoppelingen gebruiken ook Forward Error Correction (FEC) om bepaalde transmissiefouten te detecteren en te corrigeren.

Wanneer hogere bandbreedte vereist is, kunnen gegevens over meerdere lanes worden verdeeld met behulp van lane bonding. De ontvanger combineert deze lanes om de oorspronkelijke gegevensstroom te reconstrueren.

Rauwe lijnrate en payload-rate

De ruwe lijnsnelheid is de totale transmissiesnelheid van de seriële verbinding, inclusief gecodeerde gegevens en controle-informatie. De payloadsnelheid is de werkelijke gebruikersgegevens die worden geleverd nadat de transmissie-overhead is verwijderd. Omdat codering, framing en foutcorrectie-informatie een deel van de bandbreedte gebruiken, is de payloadsnelheid altijd lager dan de ruwe lijnsnelheid.

Belangrijke SerDes Specificaties en Parameters

Specificatie/Parameter	Beschrijving
Gegevenssnelheid en Transfer Snelheid	Geeft aan hoe snel bits of signaaloverdrachten door de verbinding bewegen.
Symbool Snelheid	Meet het aantal elektrische symbolen dat per seconde wordt verzonden.
Aantal Lanes	Verwijst naar de totale seriële paden die voor communicatie worden gebruikt.
Gecombineerde en Payload Bandbreedte	Vergelijkt de totale verbindingcapaciteit met de werkelijke bruikbare gegevenssnelheid.
Bitfoutpercentage (BER)	Vertegenwoordigt de frequentie van verkeerd ontvangen bits.
Latentie	Meet de vertraging tussen transmissie en ontvangst.
Jitter	Beschrijft timingvariatie en het vermogen van de ontvanger om dit te tolereren.
Signaalniveaus	Behandelt uitgangsswing, ontvangersgevoeligheid, gemeenschappelijke modus spanning en reflectielimieten.
Kanaalprestatie	Definieert het ondersteunde signaalverlies en de communicatiedistance.
Energieverbruik	Geeft de energie aan die door elke actieve lane wordt gebruikt.
Referentietijdklok	Specificeert de vereiste kloksnelheid, nauwkeurigheid en timingkwaliteit.
Bedrijfsvoorwaarden en Compatibiliteit	Behandelt voedingsspanning, temperatuurbereik, ondersteunde protocollen en SerDes-generaties.

SerDes Signaalintegriteit en PCB Ontwerprichtlijnen

Een SerDes-verbinding is sterk afhankelijk van de kwaliteit van de PCB-sporen, vias, connectoren, behuizingen en kabels tussen de zender en ontvanger. Slecht kanaalontwerp kan het signaal verzwakken of vervormen en gegevensfouten verhogen.

Veelvoorkomende signaalintegriteitsproblemen

Invoerverlies - Verlaagt de signaalsterkte wanneer het door het kanaal reist.

Terugverlies en Reflecties - Stuurt een deel van het signaal terug naar de zender vanwege impedantie-onbalans.

Impedantie-onderbrekingen - Vervormen het signaal bij vias, connectoren, behuizingen of veranderingen in sporen geometrie.

Crosstalk - Koppelt ongewenste energie van nabijgelegen sporen in de SerDes-lane.

Inter-Symboolinterferentie - Veroorzaakt dat één verzonden bit de bits die volgen beïnvloedt.

Attenuatie - Verzwakt het signaal over lange sporen, kabels en hoge-verlies materialen.

Ruis - Voegt ongewenste spanningsveranderingen toe die de samplingmarge van de ontvanger verlagen.

Kanaal-geïnduceerde jitter - Verschuift signaalovergangen ver weg van hun ideale timing.

PCB Ontwerppraktijken

• Leid SerDes-lanes als gecontroleerde impedantie differentiële paren met behulp van de benodigde impedantie door de interface.

• Houd beide sporen in elk paar symmetrisch en behoud een constante breedte, afstand en referentievlak afstand.

• Stem de twee sporen binnen een differentieel paar af volgens de interface- en apparaateisen. Vermijd onnodige lengte-afstemming.

• Leid over continue referentievlakken en kruiste geen vlaklege, splitsingen of open plekken.

• Zorg voor een continue retourstroompad, vooral nabij laagspecifieke overgangen en connectoren.

• Minimaliseer vias en laagveranderingen, omdat vias verlies, reflecties en impedantie-onderbrekingen kunnen introduceren.

• Gebruik back-drilling wanneer lange ongebruikte via-stumps de kanaal aanzienlijk zouden beïnvloeden bij de doelgegevenssnelheid.

• Kies connectoren en kabels die voldoen aan de vereiste impedantie, bandbreedte, invoerverlies en terugverlieslimieten.

• Plaats AC-koppelcapacitoren symmetrisch in het differentiële paar. Volg de aanbevolen locatie van de protocol- of transceivermaker.

• Plaats geschikte decoupling- capacitors dicht bij de SerDes-voedingspinnen, PLL-voedingspinnen en referentietijdklokvoedingscircuits.

• Selecteer een PCB-stackup en dialectisch materiaal dat gecontroleerde impedantie, laag verlies en praktische spoorafmetingen biedt.

• Simuleer het complete kanaal vóór fabricage, inclusief pakketmodellen, PCB-sporen, vias, connectoren en kabels.

Veelvoorkomende SerDes Toepassingen en Standaarden

Datacentra en servers: Verbind processors, geheugen, opslagapparaten, versnellers en netwerkinvoeren.

Netwerkswitches en routers: Verzend hoge-snelheidsgegevens tussen poorten, schakelchips en optische modules.

Opslag systemen: Verbind processors met solid-state drives, harde schijven en opslagcontrollers.

FPGAs en SoCs: Bied configureerbare hoge-snelheid interfaces voor externe apparaten en andere chips.

Camera- en displaysystemen: Verzend hoge-resolutie video tussen beeldsensoren, processors en displays.

Chipletcommunicatie: Verbind afzonderlijke chips binnen één package.

Backplane- en kabelverbindingen: Draag hoge-snelheidsdata tussen boards of afzonderlijke apparatuur.

SerDes Standaarden en Interfaces

Standaard of Interface	Hoofdzakelijk Gebruik	SerDes Rol
PCI Express	Verbindt processors, GPUs, SSD's en uitbreidingsapparaten.	Maakt gebruik van hoge-snelheid full-duplex seriële lanes voor schaalbare bandbreedte.
Ethernet	Ondersteunt netwerkcommunicatie.	Draagt data via elektrische of optische hoge-snelheid verbindingen.
USB	Verbindt computers en randapparaten.	Verzendt hoge-snelheidsdata via differentiële seriële verbindingen.
SATA en SAS	Verbind opslagmiddelen en controllers.	Vervang brede parallelle bussen door minder seriële verbindingen.
DisplayPort en HDMI	Draagt digitale video en audio.	Verzendt media-data met hoge bandbreedte via compacte kabels en connectoren.
MIPI Interfaces	Verbindt camera's, displays en processors.	Vermindert het aantal pinnen, routingsruimte en energie in compacte apparaten.
JESD204	Verbindt dataconversors met FPGAs of processors.	Ondersteunt snelle overdracht van converterdata over meerdere seriële lanes.
Fibre Channel	Verbindt servers en opslagnetwerken.	Biedt betrouwbare hoge-snelheid seriële communicatie over koper of glasvezel.
CXL	Verbindt processors, geheugen en versnellers.	Maakt gebruik van PCIe-gebaseerde seriële signalering voor hoge-snelheidapparaatcommunicatie.
UCIe	Verbindt chiplets binnen één package.	Biedt korte afstand, hoge-bandbreedte chip-naar-chip verbindingen.

SerDes vs Parallel en Andere Seriële Interfaces

Parallelle interfaces sturen meerdere bits gelijktijdig over afzonderlijke signaallijnen, terwijl SerDes data serieel over een of meer hoge-snelheidslanes overdraagt. De onderstaande tabel vergelijkt hun belangrijkste kenmerken.

Kenmerk	SerDes	Parallel Interface
Signaallijnen	Maakt gebruik van een of meer hoge-snelheid seriële lanes.	Maakt gebruik van meerdere datalijnen plus klok- en controlesignalen.
Data Snelheid	Hoge doorvoer over minder verbindingen.	Beperkt door klokafwijkingen en signaaltiming bij hoge snelheden.
Aantal Pinnen	Lager.	Hoger.
PCB Routing	Eenvoudigere routing met minder sporen.	Complexer omdat veel sporen overeen moeten komen.
Klokafwijking	Niet beïnvloed door parallelle klokafwijkingen.	Klokafwijking wordt moeilijker bij hogere snelheden.
Communicatiedistance	Ondersteunt langere kanalen.	Het beste voor korte afstanden.
Energieverbruik	Vaak lager voor hoge-bandbreedte verbindingen.	Kan toenemen naarmate het aantal signaallijnen toeneemt.
Signaalintegriteit	Beter geschikt voor hoge-snelheid communicatie.	Meer beïnvloed door afwijkingen, crosstalk en timing mismatch.
Schaalbaarheid	Gemakkelijk uit te breiden door de snelheid van de lanes of het aantal lanes te verhogen.	Uitbreiding vereist meestal extra signaallijnen.

SerDes vs Andere Seriële Technologieën

SerDes wordt vaak verward met andere seriële technologieën. De onderstaande vergelijking laat zien hoe SerDes verschilt van verschillende verwante termen en interfaces.

Technologie	Verschillen
Seriële Perifere Interface (SPI)	SPI is een laag-snelheid communicatiesprotocol. SerDes is een hoge-snelheid serialisatie- en deserialisatiefunctie die door veel interfaces wordt gebruikt.
LVDS	LVDS is een differentieel elektrisch signaleringsstandaard. SerDes kan LVDS of andere signaleringsmethoden gebruiken, afhankelijk van de toepassing.
PHY	Een PHY is het complete fysieke-laag toestel. SerDes is vaak een functioneel blok binnen een PHY.
Transceiver	Een transceiver is een compleet zender- en ontvangercircuit. Een SerDes-transceiver omvat serialisatie- en deserialisatiefuncties samen met andere schakelingen.
Ethernet PHY	Een Ethernet PHY implementeert de Ethernet fysieke laag en omvat doorgaans een of meer SerDes-blokken, afhankelijk van de Ethernet-standaard.

SerDes Testing, Validatie en Probleemoplossing

SerDes-validatie bevestigt dat de verbinding voldoet aan zijn elektrische en functionele vereisten. Wanneer er een probleem optreedt, kunt u verschillende metingen gebruiken om de oorzaak te identificeren en de oplossing te verifiëren.

Veelvoorkomende validatietests

Validatie Test	Wat Het Verifieert
BER-testen	Verbinding betrouwbaarheid en foutpercentage.
PRBS-testen	Signaalkwaliteit met behulp van bekende datapatronen.
Oogdiagram Meting	Spanning en timing marges.
Jittermeting	Timingstabiliteit van verzonden en ontvangen signalen.
Ontvanger Tolerantietesten	Ontvangerwerking onder verslechterde signaalomstandigheden.
Zender Compliance-testen	Zenderuitgang voldoet aan de specificatielimieten.
Loopback-testen	Correcte werking van de zender, ontvanger of volledige verbinding.
Kanaalmarge testen	Overgebleven spanning en timingmarge voordat fouten optreden.
Lane-uitlijning testen	Correcte synchronisatie van meerdere lanes.
Protocoolnaleving	Conformiteit met de communicatie standaard.
Interoperabiliteit testen	Compatibiliteit met apparaten van verschillende leveranciers.
Spanning en Temperatuur testen	Stabiele werking binnen het ondersteunde werkgebied.

SerDes Probleemoplossing

Symptom	Waarschijnlijke Oorzaak	Controleer	Corrigerende Richting
Verbinding initialiseert niet	Klok-, reset-, stroom- of configuratieprobleem	Verifieer voeding, klokken, reset en instellingen	Corrigeer de getroffen toestand
CDR vergrendelt niet	Zwak of onstabiel ingangssignaal	Controleer opening van het oog, jitter en signaalniveau	Verbeter de signaalkwaliteit of kloksignaal
Hoge BER	Verlies, ruis, jitter, of slechte equalizatie	Voer BER-, PRBS- en oogtests uit	Verbeter het kanaal of de equalizatie
Smal of gesloten oog	Reflecties, attenuatie of crosstalk	Meet oogmarge en jitter	Verminder verlies en discontinuïteiten
Lane-uitlijningsfout	Overmatige skew of onjuiste mapping	Controleer deskew en lane volgorde	Corrigeer timing of lane-configuratie

Hoe de SerDes-verbindingsefficiëntie te verbeteren

Pas de zender aan.

Stel de uitgangsspanning in hoog genoeg om betrouwbare transmissie te waarborgen, maar niet zo hoog dat het energieverbruik of reflecties vergroot. Gebruik voor-enneming of feed-forward equalization (FFE) om het effect van kanaalverlies te verminderen.

Stem de ontvanger af.

Pas de CTLE aan om verzwakte hoogfrequente signalen te herstellen. Gebruik de DFE om interferentie tussen bits te verminderen. Adaptieve equalizatie kan deze instellingen automatisch bijwerken wanneer de kanaalomstandigheden veranderen.

Verbeter de klok- en stroomkwaliteit.

Gebruik een stabiele, low-jitter referentieklok. Verminder voedingsruis met de juiste filtering en ontkoppeling rond de SerDes en klokcircuits.

Verbeter het kanaal.

Corrigeer impedantieproblemen bij sporen, vias, connectors en condensatoren. Verminder lange via-stubs, gebruik geschikte connectors en kabels, en verklein of leid verliesrijke kanalen om wanneer mogelijk.

Controleer de instellingen van de verbinding.

Verifieer de lane-mapping, polariteit, equalizatie en gegevenssnelheid. Voer de verbindingstraining opnieuw uit na het wijzigen van hardware of instellingen.

Meet de resultaten.

Controleer BER en oogmarge na elke wijziging. Bewaar alleen aanpassingen die de betrouwbaarheid duidelijk verbeteren. De uiteindelijke instellingen moeten de prestaties, het energieverbruik en de thermische stabiliteit in balans brengen.