高速数字信号VS射频信号，到底哪个更难设计？

edadoc · 发表于 2023-4-12 17:09:28

本帖最后由 edadoc 于 2023-4-12 17:11 编辑

一博高速先生成员：黄刚

熟悉高速先生的小伙伴们会知道，我们是以研究高速数字信号为主的团队，从不到1G到目前在研究的112G，高速先生就这样一直研究过来的，分享的案例也大多是以高速数字信号为主的案例。最近受到我们粉丝们的强烈要求，希望我们写一些关于高频信号或者说是射频信号的介绍，随着我们设计部的同事越来越多接到了这一块客户的pcb设计需求，也经常会来和我们咨询射频信号的走线方案等设计问题，因此高速先生也慢慢的深入研究起射频信号的仿真设计。好吧！就趁今天，高速先生先针对它们的信号特性，给大家简单普及下两种信号的差异哈！

今天我们来比较的是常见的10Gbps的高速数字信号和5GHz的射频时钟信号，我们先在时域上看看波形的差异哈！在这里可能很多人会有疑问，为什么要用10G的高速信号和5GHz的高频时钟信号去对比，这不是频率不同嘛。高速先生先回答这个问题哈，其实对于高速数字信号来说，它的最快切换码型是101010，那么两个bit位1和0刚好能组成一个时钟周期，也就是说2bit才等于1个时钟周期，因此对于NRZ速率来说，其实速率的一半才是频率，因此我们也常说10Gbps速率的波形基频是5GHz。

首先来看我们比较熟悉的高速数字信号，下图是利用sigrity软件展示的一个10Gbps速率下的数字信号，可以看到，它其实是由特定的码型组成的一连串信号，在不同的时间段传送特定的“1”电平或者“0”电平。

而射频时钟信号则更有规律，它在时域上就是一个周期性的正弦波，如下图展示的是5GHz的高频时钟信号。

知道了它们的信号长什么样子后，那我们就来看看它经过不同的PCB通道后的衰减情况吧。高速先生今天不以具体的PCB走线情况来确定，而是以通道的S参数形式来对信号进行分析。关于S参数，大家可以去翻翻高速先生之前的文章，是有介绍它的概念哈，今天就不再重复了。

那首先给一个比较好的通道S参数，为什么说它比较好呢，因此它在10GHz前一直都比较线性，而且损耗也不太大，只有1.5db，是个比较理想的通道参数。

那我们分别用两种信号来通过这个S参数，看接收端的结果。

从结果上能看到，高速数字信号和高频时钟信号通过这个通道之后，波形也还是比较好的。高速数字信号的眼图质量比较好，而高频时钟信号的幅度也是衰减比较小。

好，那我们再拿一个比较差的通道参数进行仿真，如下所示：可以看到，这个通道特性明显不是很好，在大概2.5GHz的地方有很严重的谐振点，但是同样也需要注意到，该通道在5GHz位置和上述好的通道的损耗值基本相同。

我们来看看这样一个奇怪的通道对两种信号影响的差异是怎么样的哈！让高速数字信号和高频时钟信号依次通过这个通道，结果会让你大吃一惊！

可以看到，高频时钟信号还是那个信号，但是高速数字信号就眼图完全闭合，样子完全认不得了！

对比经过两个通道的高速数字信号的眼图差异那么大，我们通过波形再次确定下，把经过两个不同通道后的数字信号波形进行对比，对比后发现的确是这样的，通过第二个通道后的波形也是非常的差，这下算是实锤了！

从本文的仿真结果来看，得出的结论是这样的，那就是高速数字信号的频谱是宽带的，因此需要保证在带宽内的损耗比较线性，不能有太大的波动；而对于射频信号而言，更多的是关注某个频点，或者是某一段频点的损耗即可，很多时候不需要全频段都要线性的损耗；总结一句话就是，高速数字信号要求宽带的损耗线性，射频信号要求相对比较窄带的线性即可，但是射频信号在要求的带宽内的损耗要比高速数字信号严格！

本文就讲到这里了，大家阅读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！