高速數(shù)字信號(hào)VS射頻信號(hào)，到底哪個(gè)更難設(shè)計(jì)？

一博高速先生成員：黃剛

熟悉高速先生的小伙伴們會(huì)知道，我們是以研究高速數(shù)字信號(hào)為主的團(tuán)隊(duì)，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(shù)字信號(hào)為主的案例。最近受到我們粉絲們的強(qiáng)烈要求，希望我們寫一些關(guān)于高頻信號(hào)或者說是射頻信號(hào)的介紹，隨著我們?cè)O(shè)計(jì)部的同事越來越多接到了這一塊客戶的PCB設(shè)計(jì)需求，也經(jīng)常會(huì)來和我們咨詢射頻信號(hào)的走線方案等設(shè)計(jì)問題，因此高速先生也慢慢的深入研究起射頻信號(hào)的仿真設(shè)計(jì)。好吧！就趁今天，高速先生先針對(duì)它們的信號(hào)特性，給大家簡(jiǎn)單普及下兩種信號(hào)的差異哈！

今天我們來比較的是常見的10Gbps的高速數(shù)字信號(hào)和5GHz的射頻時(shí)鐘信號(hào)，我們先在時(shí)域上看看波形的差異哈！在這里可能很多人會(huì)有疑問，為什么要用10G的高速信號(hào)和5GHz的高頻時(shí)鐘信號(hào)去對(duì)比，這不是頻率不同嘛。高速先生先回答這個(gè)問題哈，其實(shí)對(duì)于高速數(shù)字信號(hào)來說，它的最快切換碼型是101010，那么兩個(gè)bit位1和0剛好能組成一個(gè)時(shí)鐘周期，也就是說2bit才等于1個(gè)時(shí)鐘周期，因此對(duì)于NRZ速率來說，其實(shí)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(shù)字信號(hào)，下圖是利用sigrity軟件展示的一個(gè)10Gbps速率下的數(shù)字信號(hào)，可以看到，它其實(shí)是由特定的碼型組成的一連串信號(hào)，在不同的時(shí)間段傳送特定的“1”電平或者“0”電平。

而射頻時(shí)鐘信號(hào)則更有規(guī)律，它在時(shí)域上就是一個(gè)周期性的正弦波，如下圖展示的是5GHz的高頻時(shí)鐘信號(hào)。

知道了它們的信號(hào)長(zhǎng)什么樣子后，那我們就來看看它經(jīng)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(shù)形式來對(duì)信號(hào)進(jìn)行分析。關(guān)于S參數(shù)，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(fù)了。

那首先給一個(gè)比較好的通道S參數(shù)，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(gè)比較理想的通道參數(shù)。

那我們分別用兩種信號(hào)來通過這個(gè)S參數(shù)，看接收端的結(jié)果。

從結(jié)果上能看到，高速數(shù)字信號(hào)和高頻時(shí)鐘信號(hào)通過這個(gè)通道之后，波形也還是比較好的。高速數(shù)字信號(hào)的眼圖質(zhì)量比較好，而高頻時(shí)鐘信號(hào)的幅度也是衰減比較小。

好，那我們?cè)倌靡粋€(gè)比較差的通道參數(shù)進(jìn)行仿真，如下所示：可以看到，這個(gè)通道特性明顯不是很好，在大概2.5GHz的地方有很嚴(yán)重的諧振點(diǎn)，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(gè)奇怪的通道對(duì)兩種信號(hào)影響的差異是怎么樣的哈！讓高速數(shù)字信號(hào)和高頻時(shí)鐘信號(hào)依次通過這個(gè)通道，結(jié)果會(huì)讓你大吃一驚！

可以看到，高頻時(shí)鐘信號(hào)還是那個(gè)信號(hào)，但是高速數(shù)字信號(hào)就眼圖完全閉合，樣子完全認(rèn)不得了！

對(duì)比經(jīng)過兩個(gè)通道的高速數(shù)字信號(hào)的眼圖差異那么大，我們通過波形再次確定下，把經(jīng)過兩個(gè)不同通道后的數(shù)字信號(hào)波形進(jìn)行對(duì)比，對(duì)比后發(fā)現(xiàn)的確是這樣的，通過第二個(gè)通道后的波形也是非常的差，這下算是實(shí)錘了！

從本文的仿真結(jié)果來看，得出的結(jié)論是這樣的，那就是高速數(shù)字信號(hào)的頻譜是寬帶的，因此需要保證在帶寬內(nèi)的損耗比較線性，不能有太大的波動(dòng)；而對(duì)于射頻信號(hào)而言，更多的是關(guān)注某個(gè)頻點(diǎn)，或者是某一段頻點(diǎn)的損耗即可，很多時(shí)候不需要全頻段都要線性的損耗；總結(jié)一句話就是，高速數(shù)字信號(hào)要求寬帶的損耗線性，射頻信號(hào)要求相對(duì)比較窄帶的線性即可，但是射頻信號(hào)在要求的帶寬內(nèi)的損耗要比高速數(shù)字信號(hào)嚴(yán)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！