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高速先生成員--黃剛 關于高速信號損耗要看哪個頻點的問題，高速先生真的一年都要被咨詢幾十次！還是以我們比較熟悉的25G光模塊信號為例子來開始我們今天這篇文章吧。下圖是一個簡單的25G光模塊的PCB設計，從芯片到光模塊連接器這一段鏈路，也就是我們高速先生常常稱為host的光模塊鏈路。 一些找我們仿真的客戶也想了解下這種信號在PCB走線長度方面能允許的損耗值，由于高速先生都比較熟悉信號協議，就三下五除二脫口而出：12.5G是7.3dB。客戶聽完都會有這樣的反應：等等，我說的是25G的信號哦，你告訴我12.5G干嘛？ 是的，高速先生還真沒弄錯，一般這個時候我們就會直接拿出協議給客戶看。吶，就是這樣子的咯：12.89GHz（64B/66B編碼方式，會多一丟丟），7.3 dB！ 咋就不是25GHz啦，變成了12.5GHz？真的有點難理解。沒關系，高速先生今天爭取把這個事說明白哈！首先，我們還是從理論來說，我們這里提到的25G和12.5G其實不是一個概念。25G是說這對差分信號的傳輸速率，單位是bps，也就是我們常說的比特率。而協議上12.5G指的是頻率，單位是Hz。那么重點來了，25G信號的bps和12.5G的Hz之間有什么關系呢？我們先看下面這個高速串行鏈路的示意圖： 在上面這條典型的高速串行鏈路的示意圖中，除了我們所關心的channel，當然離不開收發芯片模塊。可能大家會覺得奇怪，為什么像DDR這種并行信號在數據傳輸時，時鐘信號一起發送，也就是時鐘信號會對數據信號進行采樣，并且在原理圖和PCB設計上都能看到實實在在的時鐘信號的身影，例如和DQ信號一起等長的DQS信號。而高速信號就只是看到一大把的TX和RX信號呢？ 其實這只是表象哈，像DDR模塊這種叫源同步時鐘系統，也就是時鐘在伴隨著數據信號一起發送，所以我們肉眼可見。但是高速信號采用另外一種更隱蔽的模式，叫嵌入時鐘。也就是說時鐘信號內嵌在高速數據信號里通過高速channel一并收發了，沒有單獨的時鐘信號線。它是怎么做到的呢？舉個例子哈，例如PCIE信號，當然有很多TX和RX的高速鏈路，不知道大家有沒有注意，其實還有一對參考的時鐘。沒錯，就是100MHz的那對。在高速信號發送過程中，發送芯片里有一個叫PLL（鎖相環）的模塊，會采樣100MHz的時鐘后進行倍頻，倍頻到可以采樣到高速信號的頻率，然后時鐘內嵌到數據通道中一起發送，到了接收端之后，又有一個新的模塊叫CDR模塊，中文名叫時鐘恢復模塊。它主要是負責從收到的數據信號中恢復出內嵌的時鐘，并用恢復出來的時鐘對數據信號進行采樣識別。 行吧，聽不懂也不要緊，我們用一個具體的仿真鏈路給大家展開說說。 一般我們做這種高速信號仿真只會關注接收端的波形或者眼圖，例如上面經過特定損耗channel的25Gbps高速鏈路，我們看發送和接收端的波形分別是下面這樣的： 受到衰減之后，接收信號就變得不那么完美了，這個是正常的現象。除了關心接收端信號之外，你們有看過接收端進行CDR模塊恢復出來的時鐘信號嗎？把恢復出來的時鐘信號和接收端的高速信號放在一塊看，是這樣子的： 在截取的這一串數據信號中，時鐘信號通過上升和下降沿對數據信號進行采樣。對于高速信號來說，每一位的“1”或者“0”的位寬的倒數就是我們的速率25Gbps。那問題來了，時鐘信號的上升和下降沿都對數據進行采樣，那么時鐘頻率是多少呢？也就顯而易見了，12.5GHz，如下圖計算也可以得到。所以我們高速先生也經常會說，25Gbps信號的基頻是12.5GHz，也就是為什么我們看通道損耗的時候要用12.5GHz來約束的原因了。 還不懂？那高速先生再舉一個更直觀的仿真例子。就以上面25Gbps眼圖仿真為例，下面是比較理想情況下的channel的損耗參數，在12.5GHz是3dB的損耗，按照線性度來說25GHz處應該就是6dB了。 在發送端發送25Gbps的信號，在接收端看到的波形和眼圖結果如下所示：眼高399mV，眼寬38.6ps。 那怎么證明我們是看12.5GHz-3dB的損耗，而不是看25GHz-6dB的損耗呢？很簡單，我們另外做一個對比的通道參數，如下所示，我們讓這個通道在12.5GHz位置還是3dB，但是過了12.5GHz后，立馬變成30dB的超大衰減，在25GHz處也是30dB。 那如果25Gbps信號的損耗真的是要看到25GHz頻點的話，30dB的衰減在眼圖中估計你只能看到黑屏和雪花了。但是實際仿真卻不是這樣，你依然能得到還不錯的眼圖結果，如下所示，眼高341mV，眼寬27.4ps。眼高其實衰減得不多，主要是眼寬惡化很多，一方面說明了25Gbps的損耗肯定就不是看25GHz頻點了，另外也證明了12.5GHz頻點之后的損耗對眼寬影響是巨大的（1倍頻之外主要影響上升沿）。 希望大家看完這篇文章之后，就不要老是要求看25GHz的損耗來了哈，如果硬是要把本來12.5GHz就可以保證的損耗變成了25GHz，那么你的走線長度就只能縮短一半，或者板材的等級要提升一倍，而且還要附加各種復雜的過孔工藝才能滿足哦。然而這一切本來都是不需要的，是大家自己嚇自己哈！ 問題：是不是所有高速信號協議的損耗都是看速率的一半頻點呢，或者大家有沒有因為這個誤區做過的傻事呢？都可以說說哈！ |
