直觀信號眼圖，衰減心中有數(shù)

edadoc · 發(fā)表于 2017-11-10 17:37:16

作者：一博科技

前面幾篇文章講到了串行總線的預(yù)加重與均衡理論，概念性的東西比較多，大家如果不是從事信號完整性仿真等相關(guān)工作人員，理解起來會有一定的困難。很多關(guān)注高速先生公眾號的都是從事高速PCB 設(shè)計（layout）的小伙伴，信號處理的理論可能對這些朋友日常工作幫助不是太大，這些朋友可能更多關(guān)注的是與布線相關(guān)的話題。

經(jīng)常會有pcb設(shè)計的同事問我，板子上PCIe或者10G光口這類走線最長不能超過多少？速率不是那么高的信號，例如USB2.0，是不是就可以走很長的線了？速率到達(dá)多高，就要特別注意走線的損耗的問題？這些問題核心還是涉及到高速信號速率與傳輸線損耗之間的關(guān)系，如果我們對不同速率的信號通過傳輸線后的衰減有一個基本認(rèn)識，就可以對布線長度做一個基本的評估了。

在回答這些問題之前，我們應(yīng)該對不同頻率的信號經(jīng)過一段長度的傳輸線后損耗程度有一定的了解。大家覺得傳輸速率為5Gbps的數(shù)字信號（不經(jīng)過任何預(yù)加重或者均衡處理），經(jīng)過一段15inch的傳輸線后（普通板材），眼圖還可以打開嗎，8G呢？為了解開大家的疑惑，我做了如下仿真，如下圖所示：

我們假設(shè)這個通信系統(tǒng)的驅(qū)動和接收器件都是理想模型，理想模型就意味著驅(qū)動和接收都是匹配較好，除了傳輸線的損耗之外，信號不受其他干擾項的影響。假設(shè)該傳輸線的介質(zhì)為普通FR4，線寬為5mil，阻抗為50ohm，線長為15inch。首先我們來看下通道的插損曲線，如下圖：

通過插損曲線我們可以看出，通道的損耗還是很大的，在2.5G的時候就達(dá)到了-7.9dB，轉(zhuǎn)化成幅度，大概為0.4，也就是這個頻率下，信號的幅度損耗了60%。我們來看看不同速率的信號在穿過這個通道后會變成什么樣子。

發(fā)送端為理想PRBS信號，發(fā)送端信號峰峰值為1V，上升和下降時間為10ps，我們分別仿真了速率為1G，2.5G，5G，8G，10G，25G的信號，通過15inch的傳輸線后，眼圖對比如下：

眼高和眼寬數(shù)據(jù)統(tǒng)計對比如下：

由上表我們可以看出，隨著信號頻率的提高，損耗的影響變得越來越大。至于這個影響到底有多大，我們可以參考上面的表格做一個大概的評估。

比較較真的網(wǎng)友可能又有疑惑了，你說了這么多，我只想知道我在布線的時候高速線到底最長可以走多長，你能不能給個準(zhǔn)確的數(shù)值。遇到這些問題，高速先生也不能明確的給出答案。我只能說，it depends…..

從傳輸通道來說，線長只是影響損耗的因素之一，還有很多關(guān)鍵的因素影響著通道的損耗，比如說我們選用的板材，換層孔的類型，數(shù)量，使用的銅箔類型，線寬線厚等等。對于高速串行信號來說，不同的芯片信號處理能力也不一樣，也就是所謂的預(yù)加重和均衡能力不一樣，既然芯片的性能有差異，我們對傳輸通道的評估也就不能一概而論了。最好的方法就是拿到芯片的模型進(jìn)行仿真評估，綜合考慮這些因素對信號的影響，這也是SI工程師存在的價值。