2019年11月15日 | 高速数字电缆测量介绍

现在，高速数字接口标准众多，这些标准使用的高速数字电缆也各不相同，而制造这些线缆的公司大都在中国，重点分布区域是华东和华南。这些高速数字电缆的信号速率主流已经达到5Gbps到10Gbps，电气性能参数测量是必不可少的环节。

测量过程中，使用的电子仪器种类较多，很多工程师已经分不清楚状况，甚至有些用户被电子仪器供应商忽悠，购买了不能满足技术要求或测试效率底下的仪器。

基于这种现状，我们的应用工程部的多位工程师进行了研究和商讨，最后由我做个总结，把热点数字电缆的背景和概况、规范要求的测试参数、规范推荐的测试仪器、测试夹具和测试软件信息等做个总览式的介绍，供大家参考。

现在到未来几年，都会较流行的高速数字电缆如下：
HDMI1.4，DisplayPort1.2，USB3.0，SATA3.0，SAS2.0/3.0，Thunderbolt，PCIe2.0，SFP+，Infiniband。
下面先简单介绍每种标准和电缆的概况。
1、HDMI 1.4

图1. HDMI电缆简单图示

•    HDMI 是消费电子的数字视频、音频设备互连的多媒体接口标准。

•  即插即用，通过一根单一的数字电缆连接。足够的带宽承载高清电影、游戏和丰富的音频数据。

•  采用TMDS总线架构：4对差分线，其中1对传时钟，3对传数据。

•  信号速率最高达3.4Gbps。

•  支持无源电缆，长度可达15米。

•   规范组织是HDMI（www.hdmi.org）

2、DisplayPort 1.2

图2. DisplayPort电缆简单图示

•  计算机领域与HDMI竞争的一个标准，用于连接计算机与显示器的高清数字接口。

•  采用与PCIe x4类似的结构，共4对差分传输线。

•  连接器与HDMI类似，增加了锁定功能。

•  信号速率高达5.4Gbps。

•  支持无源电缆，电缆长度高达15米。

•  规范组织是VESA（www.vesa.org）

3、USB 3.0

图3. USB3.0电缆简单图示

•  USB 3.0 也叫 SuperSpeed USB，是由Inter等公司发起的USB规范的最新标准，用于外围设备和消费电子产品与PC之间的高速数据互通。

•  USB3.0采用2对差分线结构，1收1发。

•  USB3.0信号速率达到5Gbps。

•  USB 3.0 A型连接器与USB 2.0连接器兼容。

•  USB 3.0可采用无源电缆，长度可达5米。

•  规范组织是USB-IF（www.usb.org）

4、SATA 3.0

图4. SATA3.0电缆简单图示

•  Serial ATA亦称串行ATA，主要应用领域是主板和大量储存装置（如硬盘及光驱）之间的数据传输。

•  SATA 3.0 采用2对差分线结构，1收1发。

•  SATA 3.0信号速率可达6Gbps。

•  还有eSATA/SATA Express延伸标准。eSATA与USB3.0有竞争关系，速率达3Gbps。SATA  Express是最新的标准，信号速率可达8Gbps或16Gbps。

•  采用无源电缆，长度可达3米。

•  规范组织是SAT-IO（www.serialata.org）

5、SAS 2.0/3.0

图5. SAS简单图示

•   SAS是新一代的SCSI技术，用于控制器和存储设备间的互连。SAS与现在流行的Serial ATA(SATA)硬盘相同，都是采用串行技术以获得更高的传输速度，并通过缩短连结线改善内部空间等。

•   SAS可以向下兼容SATA。SAS连接器与SATA连接器看上去类似，所以SAS驱动器和SATA驱动器可以同时存在于一个存储系统之中。

•   采用2对差分结构，1收1发。

•   SAS2.0信号速率为6Gbps，SAS3.0信号速率高达12Gbps。

•   支持无源电缆，长度可达3米。

•   规范组织是SCSI贸易协会（www.scsita.org）

6、Thunderbolt

图6. Thunderbolt电缆简单图示

•   主要用于计算机与外设的互连（现在的苹果电脑已支持）。

•    双通道传输，每个通道一收一发两对差分线。

•    每对差分线信号速率:10.3125 Gbps。

•    支持有源电缆或有源光缆，电缆长度最长达3米。

•    支持双协议(PCIe和DP) 。

•    使用mDP连接器，接口兼容DP++标准。

•    可以菊花链式支持多个设备互连。

•    规范组织是TBT（https://thunderbolttechnology.net/）

7、PCIe 2.0

图7.  PCIe 2.0 电缆简单图示

•    主要用于计算机与外设的互连（0.9版本规范刚发布）。

•    支持x1，x2，x4，x8，x16互连（x1指一个Lane，1收1发共2对差分传输线结构）。

•    每对差分线信号速率: 5Gbps。

•    支持无源电缆，电缆长度没有规定，但延迟要小于66ns（约10米长度）。 （有源电缆和光缆暂无信息。）

•    支持PCIe1.0和PCIe2.0标准。

•    1x到16x连接器都不一样。

•    点对点式的互连。

•    规范组织是PCISIG（www.pcisig.com）

8、SFP+

图8. SFP+电缆简单图示

•   SFP/SFP+是Small Form-factor Pluggables/Enhanced SFP的简称。用于Fibre Channel, 10G Ethernet，Optical Transport Network等通讯设备的互连。本来都是用光纤进行互连的，对于短距离，考虑成本，也用电缆进行互连。

•   2对差分线结构，1收1发。

•  SFP信号速率最高位4.25Gbps。SFP+则高达11.1Gbps。

•  规范未定义电缆长度，市场上最长可达12m。

•  SFP+电缆价格较贵，有的高达200美金。

•  规范组织是SFF Committee（ http://sffcommittee.org/）

9、Infiniband

图9. Infinband发展规划

•  Infiniband主要设计目的是针对服务器端的连接问题的。因此，InfiniBand技术将会被应用于服务器与服务器（比如复制，分布式工作等），服务器和存储设备（比如SAN和直接存储附件）以及服务器和网络之间（比如LAN， WANs和Internet）的通信。

•  Infiniband支持1x，4x和12x互连。1x是2对差分结构，1收1发。

•  信号速率: SDR(2.5Gbps), DDR(5Gbps), QDR(10Gbps), FDR(14.062Gbps), EDR(15.78128Gbps)

•  电缆长度无限制，一般FDR无源电缆可达10米。

•  规范组织是Infiniband贸易协会（www.infinibandta.org）

规范要求的测量参数和推荐的电子仪器如下。因为大多规范未推荐测量仪器，根据历史经验，我们推荐了一些测量仪器，在此一并列出。

•  HDMI 1.4：

•要求测量参数：TMDS 数据眼图，线对内时延差，线对间时延差，差分阻抗， 远端串扰，衰减

•规范推荐仪器：E4887A+实时示波器，DCA-TDR，E5071C

•  DisplayPort 1.2：

•要求测量参数：线对间时延，线对内时延，远端串扰，特征阻抗，插损，近端串扰，回波损耗

•规范未推荐测试仪器。我们推荐的仪器：E5071C（带TDR选件）

•  USB 3.0：

•要求测量参数：特征阻抗，插损，近端和远端串扰，线对内时延/时延差，差模到共模转换

•规范推荐仪器：DCA-TDR/ENA-TDR，E5071C

•    SATA 3.0（SAS未做具体要求，因为兼容SATA，所以暂按SATA定义SAS参数要求）：

•要求测量参数：差分阻抗，共模阻抗，远端串扰，插损，上升时间，码间干扰，线对内时延差

•规范推荐仪器：ENA-TDR，E5071C

•  Thunderbolt（有源电缆）：

•要求测量参数：回波损耗，CDR带宽和频响，眼图，抖动， 电源（共模和差模）

•规范未推荐仪器。我们推荐的仪器：码型发生器N4903B，示波器DSAX90000A

•  PCIe 2.0：

•要求测量参数：插损，回波损耗，近端串扰/多干扰近端串扰，远端串扰/多干扰远端串扰，差模到共模模式转换，线对内和对间时延差

•规范未推荐测试仪器。我们推荐的仪器：网络分析仪E5071C（带TDR选件）

•  SFP+：

•要求测量参数（要求使用激励响应法测量）：输出共模电压，差分波形失真孔径dWDP，差分/共模输入输出反射系数，损耗，损耗串扰比

•规范未推荐仪器。我们推荐的仪器：码型发生器N4903B，示波器DSAX90000A，网络分析仪E5071C

•   Infiniband：

•要求测量参数（无源电缆）：差分阻抗，线对间时延差，插损，回波损耗，多干扰串扰

•要求测量参数（有源电缆）：眼图，抖动，共模电压，差模和共模回波损耗，上升时间

•规范未推荐仪器。我们推荐的仪器：码型发生器N4903B，示波器DSAX90000A，网络分析仪E5071C（带TDR选件）

高速数字电缆测量小结：

•  无源电缆测量参数：差分阻抗，时延差，差分S参数为主。使用仪器是TDR，VNA。

•  有源电缆以激励响应方法测量：眼图，抖动及相关参数为主。使用仪器是码型发生器PG，示波器Scope。

•  推荐测试仪器的规范有：HDMI1.4，USB3.0，SATA3.0。

•  大部分规范未推荐测试仪器。

最让工程师困惑的是，现在市场上有多种TDR可进行阻抗/延时/延时差等测量，它们是否有差别？

现在把市场上测量阻抗的TDR仪器对比说明如下。
（其中：DCA-TDR指的是基于采样示波器86100D的TDR；
        ENA-TDR指的是基于网络分析仪E5071C的TDR；
        Other-TDR指的是市场上其他公司基于采样示波器的TDR）

•  Agilent的DCA-TDR与ENA-TDR测试结果一致，误差在0.4欧姆以内。

•  Other-TDR与Agilent DCA-TDR/ENA-TDR测试结果有差别，主要原因是Other-TDR未做测试电缆的校准，仅使用内部空气线校准，仅校准到模块端口。

   如果Other-TDR用配套软件，校准到测试电缆的端口，则Other-TDR与Agilent DCA-TDR/ENA-TDR结果一致。

•  现在唯一有疑问的是HDMI电缆的测量，因为最初HDMI CTS仅推荐Other-TDR（现在Other-TDR和Agilent的DCA-TDR都推荐），很多公司已经购买了Other-TDR，这可能导致Agilent DCA-TDR/ENA-TDR与Other-TDR测试结果的不一致。

•  Other-TDR加上相应软件也可进行S参数测量，DCA加上S参数选件也可进行S参数测量，这些使用采样示波器进行S参数测量都存在的问题：
   校准速度慢（使用机械校准件，仪器需要多次平均，速度较慢，一般需要6分钟以上）；
   测试速度慢（为了提高动态范围，需要多次平均如256次）；
   测试精度低（仪器使用宽带接收机，动态范围一般只有40dB）；
   对静电异常敏感（TDR都没有ESD保护电路，对静电非常敏感）。

所以，综合来看，使用E5071C（带TDR选件）进行数字电缆的测量是最优选的方案。