明明我说的是25G信号，你却让我看12.5G的损耗？

高速先生成员--黄刚关于高速信号损耗要看哪个频点的问题，高速先生真的一年都要被咨询几十次！还是以我们比较熟悉的25G光模块信号为例子来开始我们今天这篇文章吧。下图是一个简单的25G光模块的PCB设计，从芯片到光模块连接器这一段链路，也就是我们高速先生常常称为host的光模块链路。https://p3-sign.toutiaoimg.com/tos-cn-i-6w9my0ksvp/737e6125bc02471983bc23721d0a6af7~tplv-tt-shrink:640:0.image?lk3s=06827d14&traceid=20241023090214FBE0835811D5F668841F&x-expires=2147483647&x-signature=DfgTCFQgu5%2FAWLdDc4nR%2FYMrTNw%3D

一些找我们仿真的客户也想了解下这种信号在PCB走线长度方面能允许的损耗值，由于高速先生都比较熟悉信号协议，就三下五除二脱口而出：12.5G是7.3dB。客户听完都会有这样的反应：等等，我说的是25G的信号哦，你告诉我12.5G干嘛？https://p3-sign.toutiaoimg.com/tos-cn-i-6w9my0ksvp/e7ced36305994f4c8447226bba3ca2bc~tplv-tt-shrink:640:0.image?lk3s=06827d14&traceid=20241023090214FBE0835811D5F668841F&x-expires=2147483647&x-signature=RD1ZrSlGArk%2FtXj8VsTf%2BJ9jCrg%3D

是的，高速先生还真没弄错，一般这个时候我们就会直接拿出协议给客户看。吶，就是这样子的咯：12.89GHz（64B/66B编码方式，会多一丢丢），7.3 dB！https://p3-sign.toutiaoimg.com/tos-cn-i-6w9my0ksvp/d7382bdbd2a24c3c8a0686385701245f~tplv-tt-shrink:640:0.image?lk3s=06827d14&traceid=20241023090214FBE0835811D5F668841F&x-expires=2147483647&x-signature=ipM4tKrLXrq%2FQ7rgDxQ52RUh5sk%3D

咋就不是25GHz啦，变成了12.5GHz？真的有点难理解。没关系，高速先生今天争取把这个事说明白哈！首先，我们还是从理论来说，我们这里提到的25G和12.5G其实不是一个概念。25G是说这对差分信号的传输速率，单位是bps，也就是我们常说的比特率。而协议上12.5G指的是频率，单位是Hz。那么重点来了，25G信号的bps和12.5G的Hz之间有什么关系呢？我们先看下面这个高速串行链路的示意图：https://p3-sign.toutiaoimg.com/tos-cn-i-6w9my0ksvp/e9407d74a8304303a4ae1bc0204cdc43~tplv-tt-shrink:640:0.image?lk3s=06827d14&traceid=20241023090214FBE0835811D5F668841F&x-expires=2147483647&x-signature=7vbBRUpJbzOt83pU0zqYkXmp0Os%3D

在上面这条典型的高速串行链路的示意图中，除了我们所关心的channel，当然离不开收发芯片模块。可能大家会觉得奇怪，为什么像DDR这种并行信号在数据传输时，时钟信号一起发送，也就是时钟信号会对数据信号进行采样，并且在原理图和PCB设计上都能看到实实在在的时钟信号的身影，例如和DQ信号一起等长的DQS信号。而高速信号就只是看到一大把的TX和RX信号呢？https://p3-sign.toutiaoimg.com/tos-cn-i-6w9my0ksvp/a2377530c7c44c7991467b10ce50c937~tplv-tt-shrink:640:0.image?lk3s=06827d14&traceid=20241023090214FBE0835811D5F668841F&x-expires=2147483647&x-signature=pNOLsH%2BSRpyffDig6bhO64u8io0%3D

其实这只是表象哈，像DDR模块这种叫源同步时钟系统，也就是时钟在伴随着数据信号一起发送，所以我们肉眼可见。但是高速信号采用另外一种更隐蔽的模式，叫嵌入时钟。也就是说时钟信号内嵌在高速数据信号里通过高速channel一并收发了，没有单独的时钟信号线。它是怎么做到的呢？举个例子哈，例如PCIE信号，当然有很多TX和RX的高速链路，不知道大家有没有注意，其实还有一对参考的时钟。没错，就是100MHz的那对。在高速信号发送过程中，发送芯片里有一个叫PLL（锁相环）的模块，会采样100MHz的时钟后进行倍频，倍频到可以采样到高速信号的频率，然后时钟内嵌到数据通道中一起发送，到了接收端之后，又有一个新的模块叫CDR模块，中文名叫时钟恢复模块。它主要是负责从收到的数据信号中恢复出内嵌的时钟，并用恢复出来的时钟对数据信号进行采样识别。https://p3-sign.toutiaoimg.com/tos-cn-i-6w9my0ksvp/1087adf7e1384d0a83ae69cf3d92d33c~tplv-tt-shrink:640:0.image?lk3s=06827d14&traceid=20241023090214FBE0835811D5F668841F&x-expires=2147483647&x-signature=OVWpsTnZMvM7cClYz4e9ecBv%2FS8%3D

行吧，听不懂也不要紧，我们用一个具体的仿真链路给大家展开说说。https://p26-sign.toutiaoimg.com/tos-cn-i-6w9my0ksvp/b80e86b6e16f4938bf18b9750059ac9b~tplv-tt-shrink:640:0.image?lk3s=06827d14&traceid=20241023090214FBE0835811D5F668841F&x-expires=2147483647&x-signature=PDan1dyCHDHu5ArNj5SX64ZnAQI%3D

一般我们做这种高速信号仿真只会关注接收端的波形或者眼图，例如上面经过特定损耗channel的25Gbps高速链路，我们看发送和接收端的波形分别是下面这样的：https://p3-sign.toutiaoimg.com/tos-cn-i-6w9my0ksvp/ea68c70592c545349d80991c1b912860~tplv-tt-shrink:640:0.image?lk3s=06827d14&traceid=20241023090214FBE0835811D5F668841F&x-expires=2147483647&x-signature=EH6Pzp%2Bfo2RI7xXD0FzfK1Pj89U%3D

受到衰减之后，接收信号就变得不那么完美了，这个是正常的现象。除了关心接收端信号之外，你们有看过接收端进行CDR模块恢复出来的时钟信号吗？把恢复出来的时钟信号和接收端的高速信号放在一块看，是这样子的：https://p3-sign.toutiaoimg.com/tos-cn-i-6w9my0ksvp/44a73cdbaab34af2918395510cd13693~tplv-tt-shrink:640:0.image?lk3s=06827d14&traceid=20241023090214FBE0835811D5F668841F&x-expires=2147483647&x-signature=i9GcYMAyhvZmeWYidqY2vpmXGAc%3D

在截取的这一串数据信号中，时钟信号通过上升和下降沿对数据信号进行采样。对于高速信号来说，每一位的“1”或者“0”的位宽的倒数就是我们的速率25Gbps。那问题来了，时钟信号的上升和下降沿都对数据进行采样，那么时钟频率是多少呢？也就显而易见了，12.5GHz，如下图计算也可以得到。所以我们高速先生也经常会说，25Gbps信号的基频是12.5GHz，也就是为什么我们看通道损耗的时候要用12.5GHz来约束的原因了。https://p3-sign.toutiaoimg.com/tos-cn-i-6w9my0ksvp/88af15978edc434b9406945d02bc0ef2~tplv-tt-shrink:640:0.image?lk3s=06827d14&traceid=20241023090214FBE0835811D5F668841F&x-expires=2147483647&x-signature=REwpGP8SpfrMKr6oJAcs6DHMZM4%3D

还不懂？那高速先生再举一个更直观的仿真例子。就以上面25Gbps眼图仿真为例，下面是比较理想情况下的channel的损耗参数，在12.5GHz是3dB的损耗，按照线性度来说25GHz处应该就是6dB了。https://p3-sign.toutiaoimg.com/tos-cn-i-6w9my0ksvp/59677a5026504fe9bccd887916db7f4c~tplv-tt-shrink:640:0.image?lk3s=06827d14&traceid=20241023090214FBE0835811D5F668841F&x-expires=2147483647&x-signature=1b1zahzhJrqQyf2LaIrpxWDh7lY%3D

在发送端发送25Gbps的信号，在接收端看到的波形和眼图结果如下所示：眼高399mV，眼宽38.6ps。https://p3-sign.toutiaoimg.com/tos-cn-i-6w9my0ksvp/e845e95eb6c54c0db1d49091757153a8~tplv-tt-shrink:640:0.image?lk3s=06827d14&traceid=20241023090214FBE0835811D5F668841F&x-expires=2147483647&x-signature=jGfcMKyKP6Te8lIx3DyugDneNl0%3D

那怎么证明我们是看12.5GHz-3dB的损耗，而不是看25GHz-6dB的损耗呢？很简单，我们另外做一个对比的通道参数，如下所示，我们让这个通道在12.5GHz位置还是3dB，但是过了12.5GHz后，立马变成30dB的超大衰减，在25GHz处也是30dB。https://p3-sign.toutiaoimg.com/tos-cn-i-6w9my0ksvp/8d9464f99b264e28b4e502fc3d49c1ff~tplv-tt-shrink:640:0.image?lk3s=06827d14&traceid=20241023090214FBE0835811D5F668841F&x-expires=2147483647&x-signature=qHY9h2PZt7cKrUxG1vpTWseJFBY%3D

那如果25Gbps信号的损耗真的是要看到25GHz频点的话，30dB的衰减在眼图中估计你只能看到黑屏和雪花了。但是实际仿真却不是这样，你依然能得到还不错的眼图结果，如下所示，眼高341mV，眼宽27.4ps。眼高其实衰减得不多，主要是眼宽恶化很多，一方面说明了25Gbps的损耗肯定就不是看25GHz频点了，另外也证明了12.5GHz频点之后的损耗对眼宽影响是巨大的（1倍频之外主要影响上升沿）。https://p3-sign.toutiaoimg.com/tos-cn-i-6w9my0ksvp/b07d2c6a747c4166b113e959059adb4d~tplv-tt-shrink:640:0.image?lk3s=06827d14&traceid=20241023090214FBE0835811D5F668841F&x-expires=2147483647&x-signature=Q2klLg2gxMkGhq6rnrushdT%2Bz%2Bs%3D

希望大家看完这篇文章之后，就不要老是要求看25GHz的损耗来了哈，如果硬是要把本来12.5GHz就可以保证的损耗变成了25GHz，那么你的走线长度就只能缩短一半，或者板材的等级要提升一倍，而且还要附加各种复杂的过孔工艺才能满足哦。然而这一切本来都是不需要的，是大家自己吓自己哈！
问题：是不是所有高速信号协议的损耗都是看速率的一半频点呢，或者大家有没有因为这个误区做过的傻事呢？都可以说说哈！