高速數(shù)字電纜測(cè)量（皖特纜牌）介紹

安徽天纜電氣現(xiàn)在，高速數(shù)字接口標(biāo)準(zhǔn)眾多，這些標(biāo)準(zhǔn)使用的高速數(shù)字電纜也各不相同，而制造這些線(xiàn)纜的公司大都在中國(guó)，重點(diǎn)分布區(qū)域是華東和華南。這些高速數(shù)字電纜的信號(hào)速率主流已經(jīng)達(dá)到5Gbps到10Gbps，電氣性能參數(shù)測(cè)量是的環(huán)節(jié)。

皖特纜牌測(cè)量過(guò)程中，使用的電子儀器種類(lèi)較多，很多工程師已經(jīng)分不清楚狀況，甚至有些用戶(hù)被電子儀器供應(yīng)商忽悠，購(gòu)買(mǎi)了不能滿(mǎn)足技術(shù)要求或測(cè)試效率底下的儀器。

基于這種現(xiàn)狀，我們的應(yīng)用工程部的多位工程師進(jìn)行了研究和商討，后由我做個(gè)總結(jié)，把熱點(diǎn)數(shù)字電纜的背景和概況、規(guī)范要求的測(cè)試參數(shù)、規(guī)范推薦的測(cè)試儀器、測(cè)試夾具和測(cè)試軟件信息等做個(gè)總覽式的介紹，供大家參考。

現(xiàn)在到未來(lái)幾年，都會(huì)較流行的高速數(shù)字電纜如下：
HDMI1.4，DisplayPort1.2，USB3.0，SATA3.0，SAS2.0/3.0，Thunderbolt，PCIe2.0，SFP+，Infiniband。
下面先簡(jiǎn)單介紹每種標(biāo)準(zhǔn)和電纜的概況。
1、HDMI 1.4

圖1. HDMI電纜簡(jiǎn)單圖示

?    HDMI 是消費(fèi)電子的數(shù)字視頻、音頻設(shè)備互連的多媒體接口標(biāo)準(zhǔn)。

?  即插即用，通過(guò)一根單一的數(shù)字電纜連接。足夠的帶寬承載高清電影、游戲和豐富的音頻數(shù)據(jù)。

?  采用TMDS總線(xiàn)架構(gòu)：4對(duì)差分線(xiàn)，其中1對(duì)傳時(shí)鐘，3對(duì)傳數(shù)據(jù)。

?  信號(hào)速率高達(dá)3.4Gbps。

?  支持無(wú)源電纜，長(zhǎng)度可達(dá)15米。

?   規(guī)范組織是HDMI（www.hdmi.org）

2、DisplayPort 1.2

圖2. DisplayPort電纜簡(jiǎn)單圖示

?  計(jì)算機(jī)領(lǐng)域與HDMI競(jìng)爭(zhēng)的一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)，用于連接計(jì)算機(jī)與顯示器的高清數(shù)字接口。

?  采用與PCIe x4類(lèi)似的結(jié)構(gòu)，共4對(duì)差分傳輸線(xiàn)。

?  連接器與HDMI類(lèi)似，增加了鎖定功能。

?  信號(hào)速率高達(dá)5.4Gbps。

?  支持無(wú)源電纜，電纜長(zhǎng)度高達(dá)15米。

?  規(guī)范組織是VESA（www.vesa.org）

3、USB 3.0

圖3. USB3.0電纜簡(jiǎn)單圖示

?  USB 3.0 也叫 SuperSpeed USB，是由Inter等公司發(fā)起的USB規(guī)范的新標(biāo)準(zhǔn)，用于外圍設(shè)備和消費(fèi)電子產(chǎn)品與PC之間的高速數(shù)據(jù)互通。

?  USB3.0采用2對(duì)差分線(xiàn)結(jié)構(gòu)，1收1發(fā)。

?  USB3.0信號(hào)速率達(dá)到5Gbps。

?  USB 3.0 A型連接器與USB 2.0連接器兼容。

?  USB 3.0可采用無(wú)源電纜，長(zhǎng)度可達(dá)5米。

?  規(guī)范組織是USB-IF（www.usb.org）

4、SATA 3.0

圖4. SATA3.0電纜簡(jiǎn)單圖示

?  Serial ATA亦稱(chēng)串行ATA，主要應(yīng)用領(lǐng)域是主板和大量?jī)?chǔ)存裝置（如硬盤(pán)及光驅(qū)）之間的數(shù)據(jù)傳輸。

?  SATA 3.0 采用2對(duì)差分線(xiàn)結(jié)構(gòu)，1收1發(fā)。

?  SATA 3.0信號(hào)速率可達(dá)6Gbps。

?  還有eSATA/SATA Express延伸標(biāo)準(zhǔn)。eSATA與USB3.0有競(jìng)爭(zhēng)關(guān)系，速率達(dá)3Gbps。SATA  Express是新的標(biāo)準(zhǔn)，信號(hào)速率可達(dá)8Gbps或16Gbps。

?  采用無(wú)源電纜，長(zhǎng)度可達(dá)3米。

?  規(guī)范組織是SAT-IO（www.serialata.org）

5、SAS 2.0/3.0

圖5. SAS簡(jiǎn)單圖示

?   SAS是新一代的SCSI技術(shù)，用于控制器和存儲(chǔ)設(shè)備間的互連。SAS與現(xiàn)在流行的Serial ATA(SATA)硬盤(pán)相同，都是采用串行技術(shù)以獲得更高的傳輸速度，并通過(guò)縮短連結(jié)線(xiàn)改善內(nèi)部空間等。

?   SAS可以向下兼容SATA。SAS連接器與SATA連接器看上去類(lèi)似，所以SAS驅(qū)動(dòng)器和SATA驅(qū)動(dòng)器可以同時(shí)存在于一個(gè)存儲(chǔ)系統(tǒng)之中。

?   采用2對(duì)差分結(jié)構(gòu)，1收1發(fā)。

?   SAS2.0信號(hào)速率為6Gbps，SAS3.0信號(hào)速率高達(dá)12Gbps。

?   支持無(wú)源電纜，長(zhǎng)度可達(dá)3米。

?   規(guī)范組織是SCSI貿(mào)易協(xié)會(huì)（www.scsita.org）

6、Thunderbolt

圖6. Thunderbolt電纜簡(jiǎn)單圖示

?   主要用于計(jì)算機(jī)與外設(shè)的互連（現(xiàn)在的蘋(píng)果電腦已支持）。

?    雙通道傳輸，每個(gè)通道一收一發(fā)兩對(duì)差分線(xiàn)。

?    每對(duì)差分線(xiàn)信號(hào)速率:10.3125 Gbps。

?    支持有源電纜或有源光纜，電纜長(zhǎng)度長(zhǎng)達(dá)3米。

?    支持雙協(xié)議(PCIe和DP) 。

?    使用mDP連接器，接口兼容DP++標(biāo)準(zhǔn)。

?    可以菊花鏈?zhǔn)街С侄鄠€(gè)設(shè)備互連。

?    規(guī)范組織是TBT（https://thunderbolttechnology.net/）

7、PCIe 2.0

圖7.  PCIe 2.0 電纜簡(jiǎn)單圖示

?    主要用于計(jì)算機(jī)與外設(shè)的互連（0.9版本規(guī)范剛發(fā)布）。

?    支持x1，x2，x4，x8，x16互連（x1指一個(gè)Lane，1收1發(fā)共2對(duì)差分傳輸線(xiàn)結(jié)構(gòu)）。

?    每對(duì)差分線(xiàn)信號(hào)速率: 5Gbps。

?    支持無(wú)源電纜，電纜長(zhǎng)度沒(méi)有規(guī)定，但延遲要小于66ns（約10米長(zhǎng)度）。 （有源電纜和光纜暫無(wú)信息。）

?    支持PCIe1.0和PCIe2.0標(biāo)準(zhǔn)。

?    1x到16x連接器都不一樣。

?    點(diǎn)對(duì)點(diǎn)式的互連。

?    規(guī)范組織是PCISIG（www.pcisig.com）

8、SFP+

圖8. SFP+電纜簡(jiǎn)單圖示

?   SFP/SFP+是Small Form-factor Pluggables/Enhanced SFP的簡(jiǎn)稱(chēng)。用于Fibre Channel, 10G Ethernet，Optical Transport Network等通訊設(shè)備的互連。本來(lái)都是用光纖進(jìn)行互連的，對(duì)于短距離，考慮成本，也用電纜進(jìn)行互連。

?   2對(duì)差分線(xiàn)結(jié)構(gòu)，1收1發(fā)。

?  SFP信號(hào)速率高位4.25Gbps。SFP+則高達(dá)11.1Gbps。

?  規(guī)范未定義電纜長(zhǎng)度，市場(chǎng)上長(zhǎng)可達(dá)12m。

?  SFP+電纜價(jià)格較貴，有的高達(dá)200美金。

?  規(guī)范組織是SFF Committee（ http://sffcommittee.org/）

9、Infiniband

圖9. Infinband發(fā)展規(guī)劃

?  Infiniband主要設(shè)計(jì)目的是針對(duì)服務(wù)器端的連接問(wèn)題的。因此，InfiniBand技術(shù)將會(huì)被應(yīng)用于服務(wù)器與服務(wù)器（比如復(fù)制，分布式工作等），服務(wù)器和存儲(chǔ)設(shè)備（比如SAN和直接存儲(chǔ)附件）以及服務(wù)器和網(wǎng)絡(luò)之間（比如LAN， WANs和Internet）的通信。

?  Infiniband支持1x，4x和12x互連。1x是2對(duì)差分結(jié)構(gòu)，1收1發(fā)。

?  信號(hào)速率: SDR(2.5Gbps), DDR(5Gbps), QDR(10Gbps), FDR(14.062Gbps), EDR(15.78128Gbps)

?  電纜長(zhǎng)度制，一般FDR無(wú)源電纜可達(dá)10米。

?  規(guī)范組織是Infiniband貿(mào)易協(xié)會(huì)（www.infinibandta.org）

規(guī)范要求的測(cè)量參數(shù)和推薦的電子儀器如下。因?yàn)榇蠖嘁?guī)范未推薦測(cè)量?jī)x器，根據(jù)歷史經(jīng)驗(yàn)，我們推薦了一些測(cè)量?jī)x器，在此一并列出。

?  HDMI 1.4：

?要求測(cè)量參數(shù)：TMDS 數(shù)據(jù)眼圖，線(xiàn)對(duì)內(nèi)時(shí)延差，線(xiàn)對(duì)間時(shí)延差，差分阻抗， 遠(yuǎn)端串?dāng)_，衰減

?規(guī)范推薦儀器：E4887A+實(shí)時(shí)示波器，DCA-TDR，E5071C

?  DisplayPort 1.2：

?要求測(cè)量參數(shù)：線(xiàn)對(duì)間時(shí)延，線(xiàn)對(duì)內(nèi)時(shí)延，遠(yuǎn)端串?dāng)_，特征阻抗，插損，近端串?dāng)_，回波損耗

?規(guī)范未推薦測(cè)試儀器。我們推薦的儀器：E5071C（帶TDR選件）

?  USB 3.0：

?要求測(cè)量參數(shù)：特征阻抗，插損，近端和遠(yuǎn)端串?dāng)_，線(xiàn)對(duì)內(nèi)時(shí)延/時(shí)延差，差模到共模轉(zhuǎn)換

?規(guī)范推薦儀器：DCA-TDR/ENA-TDR，E5071C

?    SATA 3.0（SAS未做具體要求，因?yàn)榧嫒軸ATA，所以暫按SATA定義SAS參數(shù)要求）：

?要求測(cè)量參數(shù)：差分阻抗，共模阻抗，遠(yuǎn)端串?dāng)_，插損，上升時(shí)間，碼間干擾，線(xiàn)對(duì)內(nèi)時(shí)延差

?規(guī)范推薦儀器：ENA-TDR，E5071C

?  Thunderbolt（有源電纜）：

?要求測(cè)量參數(shù)：回波損耗，CDR帶寬和頻響，眼圖，抖動(dòng)， 電源（共模和差模）

?規(guī)范未推薦儀器。我們推薦的儀器：碼型發(fā)生器N4903B，示波器DSAX90000A

?  PCIe 2.0：

?要求測(cè)量參數(shù)：插損，回波損耗，近端串?dāng)_/多干擾近端串?dāng)_，遠(yuǎn)端串?dāng)_/多干擾遠(yuǎn)端串?dāng)_，差模到共模模式轉(zhuǎn)換，線(xiàn)對(duì)內(nèi)和對(duì)間時(shí)延差

?規(guī)范未推薦測(cè)試儀器。我們推薦的儀器：網(wǎng)絡(luò)分析儀E5071C（帶TDR選件）

?  SFP+：

?要求測(cè)量參數(shù)（要求使用激勵(lì)響應(yīng)法測(cè)量）：輸出共模電壓，差分波形失真孔徑dWDP，差分/共模輸入輸出反射系數(shù)，損耗，損耗串?dāng)_比

?規(guī)范未推薦儀器。我們推薦的儀器：碼型發(fā)生器N4903B，示波器DSAX90000A，網(wǎng)絡(luò)分析儀E5071C

?   Infiniband：

?要求測(cè)量參數(shù)（無(wú)源電纜）：差分阻抗，線(xiàn)對(duì)間時(shí)延差，插損，回波損耗，多干擾串?dāng)_

?要求測(cè)量參數(shù)（有源電纜）：眼圖，抖動(dòng)，共模電壓，差模和共?；夭〒p耗，上升時(shí)間

?規(guī)范未推薦儀器。我們推薦的儀器：碼型發(fā)生器N4903B，示波器DSAX90000A，網(wǎng)絡(luò)分析儀E5071C（帶TDR選件）

高速數(shù)字電纜測(cè)量小結(jié)：

?  無(wú)源電纜測(cè)量參數(shù)：差分阻抗，時(shí)延差，差分S參數(shù)為主。使用儀器是TDR，VNA。

?  有源電纜以激勵(lì)響應(yīng)方法測(cè)量：眼圖，抖動(dòng)及相關(guān)參數(shù)為主。使用儀器是碼型發(fā)生器PG，示波器Scope。

?  推薦測(cè)試儀器的規(guī)范有：HDMI1.4，USB3.0，SATA3.0。

?  大部分規(guī)范未推薦測(cè)試儀器。

讓工程師困惑的是，現(xiàn)在市場(chǎng)上有多種TDR可進(jìn)行阻抗/延時(shí)/延時(shí)差等測(cè)量，它們是否有差別？

現(xiàn)在把市場(chǎng)上測(cè)量阻抗的TDR儀器對(duì)比說(shuō)明如下。
（其中：DCA-TDR指的是基于采樣示波器86100D的TDR；
        ENA-TDR指的是基于網(wǎng)絡(luò)分析儀E5071C的TDR；
        Other-TDR指的是市場(chǎng)上其他公司基于采樣示波器的TDR）

?  Agilent的DCA-TDR與ENA-TDR測(cè)試結(jié)果一致，誤差在0.4歐姆以?xún)?nèi)。

?  Other-TDR與Agilent DCA-TDR/ENA-TDR測(cè)試結(jié)果有差別，主要原因是Other-TDR未做測(cè)試電纜的校準(zhǔn)，僅使用內(nèi)部空氣線(xiàn)校準(zhǔn)，僅校準(zhǔn)到模塊端口。

   如果Other-TDR用配套軟件，校準(zhǔn)到測(cè)試電纜的端口，則Other-TDR與Agilent DCA-TDR/ENA-TDR結(jié)果一致。

?  現(xiàn)在有疑問(wèn)的是HDMI電纜的測(cè)量，因?yàn)槌鮄DMI CTS僅推薦Other-TDR（現(xiàn)在Other-TDR和Agilent的DCA-TDR都推薦），很多公司已經(jīng)購(gòu)買(mǎi)了Other-TDR，這可能導(dǎo)致Agilent DCA-TDR/ENA-TDR與Other-TDR測(cè)試結(jié)果的不一致。

?  Other-TDR加上相應(yīng)軟件也可進(jìn)行S參數(shù)測(cè)量，DCA加上S參數(shù)選件也可進(jìn)行S參數(shù)測(cè)量，這些使用采樣示波器進(jìn)行S參數(shù)測(cè)量都存在的問(wèn)題：
   校準(zhǔn)速度慢（使用機(jī)械校準(zhǔn)件，儀器需要多次平均，速度較慢，一般需要6分鐘以上）；
   測(cè)試速度慢（為了提高動(dòng)態(tài)范圍，需要多次平均如256次）；
   測(cè)試精度低（儀器使用寬帶接收機(jī)，動(dòng)態(tài)范圍一般只有40dB）；
   對(duì)靜電異常敏感（TDR都沒(méi)有ESD保護(hù)電路，對(duì)靜電非常敏感）。

所以，綜合來(lái)看，使用E5071C（帶TDR選件）進(jìn)行數(shù)字電纜的測(cè)量是優(yōu)選的方案。