高速先生成員--黃剛

關(guān)于高速信號(hào)損耗要看哪個(gè)頻點(diǎn)的問(wèn)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(hào)為例子來(lái)開(kāi)始我們今天這篇文章吧。下圖是一個(gè)簡(jiǎn)單的25G光模塊的PCB設(shè)計(jì)，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(hào)在PCB走線長(zhǎng)度方面能允許的損耗值，由于高速先生都比較熟悉信號(hào)協(xié)議，就三下五除二脫口而出：12.5G是7.3dB?？蛻袈?tīng)完都會(huì)有這樣的反應(yīng)：等等，我說(shuō)的是25G的信號(hào)哦，你告訴我12.5G干嘛？

是的，高速先生還真沒(méi)弄錯(cuò)，一般這個(gè)時(shí)候我們就會(huì)直接拿出協(xié)議給客戶看。吶，就是這樣子的咯：12.89GHz（64B/66B編碼方式，會(huì)多一丟丟），7.3 dB！

咋就不是25GHz啦，變成了12.5GHz？真的有點(diǎn)難理解。沒(méi)關(guān)系，高速先生今天爭(zhēng)取把這個(gè)事說(shuō)明白哈！首先，我們還是從理論來(lái)說(shuō)，我們這里提到的25G和12.5G其實(shí)不是一個(gè)概念。25G是說(shuō)這對(duì)差分信號(hào)的傳輸速率，單位是bps，也就是我們常說(shuō)的比特率。而協(xié)議上12.5G指的是頻率，單位是Hz。那么重點(diǎn)來(lái)了，25G信號(hào)的bps和12.5G的Hz之間有什么關(guān)系呢？我們先看下面這個(gè)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(guān)心的channel，當(dāng)然離不開(kāi)收發(fā)芯片模塊?？赡艽蠹視?huì)覺(jué)得奇怪，為什么像DDR這種并行信號(hào)在數(shù)據(jù)傳輸時(shí)，時(shí)鐘信號(hào)一起發(fā)送，也就是時(shí)鐘信號(hào)會(huì)對(duì)數(shù)據(jù)信號(hào)進(jìn)行采樣，并且在原理圖和PCB設(shè)計(jì)上都能看到實(shí)實(shí)在在的時(shí)鐘信號(hào)的身影，例如和DQ信號(hào)一起等長(zhǎng)的DQS信號(hào)。而高速信號(hào)就只是看到一大把的TX和RX信號(hào)呢？

其實(shí)這只是表象哈，像DDR模塊這種叫源同步時(shí)鐘系統(tǒng)，也就是時(shí)鐘在伴隨著數(shù)據(jù)信號(hào)一起發(fā)送，所以我們?nèi)庋劭梢?jiàn)。但是高速信號(hào)采用另外一種更隱蔽的模式，叫嵌入時(shí)鐘。也就是說(shuō)時(shí)鐘信號(hào)內(nèi)嵌在高速數(shù)據(jù)信號(hào)里通過(guò)高速channel一并收發(fā)了，沒(méi)有單獨(dú)的時(shí)鐘信號(hào)線。它是怎么做到的呢？舉個(gè)例子哈，例如PCIE信號(hào)，當(dāng)然有很多TX和RX的高速鏈路，不知道大家有沒(méi)有注意，其實(shí)還有一對(duì)參考的時(shí)鐘。沒(méi)錯(cuò)，就是100MHz的那對(duì)。在高速信號(hào)發(fā)送過(guò)程中，發(fā)送芯片里有一個(gè)叫PLL（鎖相環(huán)）的模塊，會(huì)采樣100MHz的時(shí)鐘后進(jìn)行倍頻，倍頻到可以采樣到高速信號(hào)的頻率，然后時(shí)鐘內(nèi)嵌到數(shù)據(jù)通道中一起發(fā)送，到了接收端之后，又有一個(gè)新的模塊叫CDR模塊，中文名叫時(shí)鐘恢復(fù)模塊。它主要是負(fù)責(zé)從收到的數(shù)據(jù)信號(hào)中恢復(fù)出內(nèi)嵌的時(shí)鐘，并用恢復(fù)出來(lái)的時(shí)鐘對(duì)數(shù)據(jù)信號(hào)進(jìn)行采樣識(shí)別。

行吧，聽(tīng)不懂也不要緊，我們用一個(gè)具體的仿真鏈路給大家展開(kāi)說(shuō)說(shuō)。

一般我們做這種高速信號(hào)仿真只會(huì)關(guān)注接收端的波形或者眼圖，例如上面經(jīng)過(guò)特定損耗channel的25Gbps高速鏈路，我們看發(fā)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(hào)就變得不那么完美了，這個(gè)是正常的現(xiàn)象。除了關(guān)心接收端信號(hào)之外，你們有看過(guò)接收端進(jìn)行CDR模塊恢復(fù)出來(lái)的時(shí)鐘信號(hào)嗎？把恢復(fù)出來(lái)的時(shí)鐘信號(hào)和接收端的高速信號(hào)放在一塊看，是這樣子的：

在截取的這一串?dāng)?shù)據(jù)信號(hào)中，時(shí)鐘信號(hào)通過(guò)上升和下降沿對(duì)數(shù)據(jù)信號(hào)進(jìn)行采樣。對(duì)于高速信號(hào)來(lái)說(shuō)，每一位的“1”或者“0”的位寬的倒數(shù)就是我們的速率25Gbps。那問(wèn)題來(lái)了，時(shí)鐘信號(hào)的上升和下降沿都對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行采樣，那么時(shí)鐘頻率是多少呢？也就顯而易見(jiàn)了，12.5GHz，如下圖計(jì)算也可以得到。所以我們高速先生也經(jīng)常會(huì)說(shuō)，25Gbps信號(hào)的基頻是12.5GHz，也就是為什么我們看通道損耗的時(shí)候要用12.5GHz來(lái)約束的原因了。

還不懂？那高速先生再舉一個(gè)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(shù)，在12.5GHz是3dB的損耗，按照線性度來(lái)說(shuō)25GHz處應(yīng)該就是6dB了。

在發(fā)送端發(fā)送25Gbps的信號(hào)，在接收端看到的波形和眼圖結(jié)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(jiǎn)單，我們另外做一個(gè)對(duì)比的通道參數(shù)，如下所示，我們讓這個(gè)通道在12.5GHz位置還是3dB，但是過(guò)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(hào)的損耗真的是要看到25GHz頻點(diǎn)的話，30dB的衰減在眼圖中估計(jì)你只能看到黑屏和雪花了。但是實(shí)際仿真卻不是這樣，你依然能得到還不錯(cuò)的眼圖結(jié)果，如下所示，眼高341mV，眼寬27.4ps。眼高其實(shí)衰減得不多，主要是眼寬惡化很多，一方面說(shuō)明了25Gbps的損耗肯定就不是看25GHz頻點(diǎn)了，另外也證明了12.5GHz頻點(diǎn)之后的損耗對(duì)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(lái)了哈，如果硬是要把本來(lái)12.5GHz就可以保證的損耗變成了25GHz，那么你的走線長(zhǎng)度就只能縮短一半，或者板材的等級(jí)要提升一倍，而且還要附加各種復(fù)雜的過(guò)孔工藝才能滿足哦。然而這一切本來(lái)都是不需要的，是大家自己嚇自己哈！

問(wèn)題：是不是所有高速信號(hào)協(xié)議的損耗都是看速率的一半頻點(diǎn)呢，或者大家有沒(méi)有因?yàn)檫@個(gè)誤區(qū)做過(guò)的傻事呢？都可以說(shuō)說(shuō)哈！