高速數字信號VS射頻信號，到底哪個更難設計？

edadoc2003

一博高速先生成員：黃剛

熟悉高速先生的小伙伴們會知道，我們是以研究高速數字信號為主的團隊，從不到1G到目前在研究的112G，高速先生就這樣一直研究過來的，分享的案例也大多是以高速數字信號為主的案例。最近受到我們粉絲們的強烈要求，希望我們寫一些關于高頻信號或者說是射頻信號的介紹，隨著我們設計部的同事越來越多接到了這一塊客戶的PCB設計需求，也經常會來和我們咨詢射頻信號的走線方案等設計問題，因此高速先生也慢慢的深入研究起射頻信號的仿真設計。好吧！就趁今天，高速先生先針對它們的信號特性，給大家簡單普及下兩種信號的差異哈！

今天我們來比較的是常見的10Gbps的高速數字信號和5GHz的射頻時鐘信號，我們先在時域上看看波形的差異哈！在這里可能很多人會有疑問，為什么要用10G的高速信號和5GHz的高頻時鐘信號去對比，這不是頻率不同嘛。高速先生先回答這個問題哈，其實對于高速數字信號來說，它的最快切換碼型是101010，那么兩個bit位1和0剛好能組成一個時鐘周期，也就是說2bit才等于1個時鐘周期，因此對于NRZ速率來說，其實速率的一半才是頻率，因此我們也常說10Gbps速率的波形基頻是5GHz。

首先來看我們比較熟悉的高速數字信號，下圖是利用sigrity軟件展示的一個10Gbps速率下的數字信號，可以看到，它其實是由特定的碼型組成的一連串信號，在不同的時間段傳送特定的“1”電平或者“0”電平。

而射頻時鐘信號則更有規律，它在時域上就是一個周期性的正弦波，如下圖展示的是5GHz的高頻時鐘信號。

知道了它們的信號長什么樣子后，那我們就來看看它經過不同的PCB通道后的衰減情況吧。高速先生今天不以具體的PCB走線情況來確定，而是以通道的S參數形式來對信號進行分析。關于S參數，大家可以去翻翻高速先生之前的文章，是有介紹它的概念哈，今天就不再重復了。

那首先給一個比較好的通道S參數，為什么說它比較好呢，因此它在10GHz前一直都比較線性，而且損耗也不太大，只有1.5db，是個比較理想的通道參數。

那我們分別用兩種信號來通過這個S參數，看接收端的結果。

從結果上能看到，高速數字信號和高頻時鐘信號通過這個通道之后，波形也還是比較好的。高速數字信號的眼圖質量比較好，而高頻時鐘信號的幅度也是衰減比較小。

好，那我們再拿一個比較差的通道參數進行仿真，如下所示：可以看到，這個通道特性明顯不是很好，在大概2.5GHz的地方有很嚴重的諧振點，但是同樣也需要注意到，該通道在5GHz位置和上述好的通道的損耗值基本相同。

我們來看看這樣一個奇怪的通道對兩種信號影響的差異是怎么樣的哈！讓高速數字信號和高頻時鐘信號依次通過這個通道，結果會讓你大吃一驚！

可以看到，高頻時鐘信號還是那個信號，但是高速數字信號就眼圖完全閉合，樣子完全認不得了！

對比經過兩個通道的高速數字信號的眼圖差異那么大，我們通過波形再次確定下，把經過兩個不同通道后的數字信號波形進行對比，對比后發現的確是這樣的，通過第二個通道后的波形也是非常的差，這下算是實錘了！

從本文的仿真結果來看，得出的結論是這樣的，那就是高速數字信號的頻譜是寬帶的，因此需要保證在帶寬內的損耗比較線性，不能有太大的波動；而對于射頻信號而言，更多的是關注某個頻點，或者是某一段頻點的損耗即可，很多時候不需要全頻段都要線性的損耗；總結一句話就是，高速數字信號要求寬帶的損耗線性，射頻信號要求相對比較窄帶的線性即可，但是射頻信號在要求的帶寬內的損耗要比高速數字信號嚴格！

本文就講到這里了，大家閱讀后也可以各自思考下，有什么不同的想法都可以和高速先生分享哈！