2019年11月15日 | Thunderbolt超高速接口技术及其测量方法

1、Thunderbolt超高速接口简介

美国当地时间2011年2月24日，英特尔正式发布了已经宣传数月的英特尔实验室产品代号为“Light Peak”技术

图1  ThunderBolt超高速接口

Thunderbolt 是苹果与英特尔（Intel）的合作产物，由Intel开发，通过和苹果的技术合作推向市场。该技术主要用于连接PC和其他设备，融合了前的两项成熟技术 PCI Express数据传输技术和DisplayPort显示技术，两条通道可同时传输这两种协议的数据，每条通道都提供双向10.3125Gbps带宽。为了降低成本，目前Thunderbolt采用的是铜芯连接的方式而不是早前演示的光纤链接，理论上最高传输速率可达50Gbps，现在仅设定在10Gbps，发展空间较大。

2、Thunderbolt工作原理与性能

Thunderbolt超高速连接技术融合融合了PCI Express数据传输技术和DisplayPort显示技术，由一颗Intel专用控制芯片进行驱动，通过PCI Express 2.0 x4、DisplayPort 1.2总线与系统芯片组相连。其中PCI Express用于数据传输，DisplayPort则用于显示信号传输，亦可通过直接连接英特尔处理器集成图形核心进行DisplayPort显示输出。Thunderbolt的控制芯片，是系统中必不可少的。但英特尔表示，它的硬件不需要英特尔的处理器和芯片组配合使用。它更像一种微型路由交换机，可以迅速地在两个双向通道的数据之间切换。

图2  ThunderBolt工作原理

Thunderbolt采用了专用接口。该接口的物理外观和原有Mini DsiplayPort接口相同，适用于各种轻型、小型各类设备，兼容DisplayPort接口的显示设备，Mini DP接口的显示器以及Mini DP至HDMI/DVI/VGA等接口的转接头都可以在Thunderbolt接口上正常使用，可传输1080p乃至超高清视频和最多八声道音频。

Thunderbolt能否向后或向前兼容取决于所使用的线缆。向后可以兼容PCI Express 2.0的I/O控制系统，不过英特尔对USB3.0没有置评。而向前兼容方面，自然就是越新越好，你可以发现Macbook Pro上的新端口已经为光纤传输做好了准备，这样也更符合成本效益。

设备连接方面，Thunderbolt技术支持以菊花链形式将7台设备连接在一起，(也就是苹果所说的MacBook Pro可串联6台外设，包括最多2个的全高清DisplayPort显示输出)，不过要求DisplayPort 1.1设备必须位于链路末端。

为了降低成本，目前Thunderbolt采用的是铜芯连接的方式而不是早前演示的光纤链接，铜线长度限制为3米。今年晚些时候，还将推出光纤线缆产品。不过，铜线在未来依然还保留一项优势，那就是通过线缆提供10W供电，而光纤 Thunderbolt不会提供供电功能。

图3   各接口传输速率比较

3、Thunderbolt目前用途

在苹果发布带有Thunderbolt接口的新MacBook Pro的同时，就有不少品牌宣布将推出Thunderbolt的相关产品，其中包括Aja、Apogee、Avid和Blackmagic。第三方支持方面，英特尔称西数和LaCie都将提供兼容Thunderbolt接口的移动硬盘。其中，LaCie 已经展示了一个使用 Thunderbolt 的设备，双 SSD 做 Raid 的存储设备，当然，由于存储方面的限制，Thunderbolt 的战斗力实在是很难在家用中体现出来。

这样的速度对于家用来说已经是奢侈得过头了，三米的线路长度也极大限制了它的使用范围，我能想到的当前可能的应用有：

* 多显示器支持，由于可以单端口连接 6 个设备，理论上，你可以组织7屏工作平台了。　

* 超高速磁盘阵列，通过用 SSD 架设 Raid，配合 Thunderbolt 可以获得极为夸张的磁盘性能，这对于图形处理、影像渲染等专业工作会有好处。 　　

当然，随着该技术的不断普及，大量外设出现以后，Thunderbolt 超高传输速度与单接口多设备的能力会慢慢体现出它的优点。光纤连接出现以后，以单 Mac 机器为运算核心，配合大量相关外设，似乎可以布置出一个集中式的处理环境，到了明年，大家就可以着手更新当前的家庭网络了。

图4   早期的LightPeak使用光缆

接口，也支持硬盘等设备所使用的PCI Express接口。支持PCI意味着可以非常容易地开发其他接口的适配器，例如Thunderbolt和以太网转换器，或Thunderbolt和火线转换器等。

Thunderbolt将吸引媒体制作公司和专业人士的支持，包括专业音频和视频编辑软件制造商Avid在内的众多企业都成为了首批支持这一技术的公司。同样值得注意的是，Thunderbolt并不能够给视频本身带来变革。影响视频效果的瓶颈还有很多，包括图形处理器和操作系统限制。一旦想要将视频上传到互联网，带宽速度也将成为一大问题。但是回想一下MP3在上世纪90年代逐渐兴起时的情形：便携MP3播放器存储的音乐时间很短、音质很差、制作和播放软件效果不佳，而且当时也只能使用速度缓慢的拨号网络上传和下载音乐。此后几年，苹果等企业逐渐对其进行改进，而带宽也开始增加。如今，几乎所有拥有电脑的人都会使用电脑来存储、转移并播放音乐。电脑音乐已经成为主流。所以5年以后，很容易想象得到，当用户制作、拷贝和交换大量视频文件时，也将获得与音频文件同样的便利。Thunderbolt并非充分条件，但的确消除了一大瓶颈。至少现在来说Thunderbolt并不是一个必须的接口，因为目前几乎没有设备可以使用这个接口，但从长远来看，Thunderbolt在未来必然可以让用户减少不少烦恼，因为Thunderbolt几乎可以替代所有扩展接口。

5、Thunderbolt测试方法总览

图5   Thunderbolt测试方法总览

Thunderbolt信号速率高达10.3125Gbps，物理层测试是产品开发和生产的关键环节之一。物理层一致性测试主要包括3个方面：

1）Tx信号品质测量，只要测量发生的信号的眼图、抖动、边沿时间、幅度等波形参数；
2）Rx接收性能测量，主要测量接收端接收电压灵敏度、抖动容忍度，正负端信号时间偏差容忍度等；
3）Cable性能测试，主要测量电缆的差分阻抗，插入损耗，串扰等。

6、Thunderbolt Tx 信号品质测量

图6  Thunderbold Tx一致性测试点

Thunderbolt的一致性测试点如图6所示，一般在mDP连接器处。一致性测试对示波器的带宽要求至少是：16GHz。考虑到更精确的测量和表征，建议示波器带宽是：25GHz。示波器要求具有去嵌入功能，能够把测试夹具的影响去除掉。使用的测试夹具如图7所示。

图7  Thunderbolt Tx测试夹具

Thunderbolt Tx信号品质测量对抖动测量要求较高，需要进行抖动成分分解，需要测量总体抖动TJ,数据相关抖动DDJ,随机抖动RJ,周期性抖动PJ等。另外还有进行眼图和模板测量。用DSAX92504A测量结果如下。

图8   Thunderbolt Tx信号品质测量结果

7、Thunderbolt Rx 接收灵敏度测量

Thunderbolt信号速率高达10.3125Gbps，Rx接收灵敏度测量成为必测试项目。主要进行Stressed Eye加压眼图测量，幅度灵敏度测量，抖动容忍度测量，时间偏差容忍度测量。测量Stressed Eye需要能够产生如下特征的信号：

表1. Thunderbolt Rx Stressed Eye信号产生要求

使用N4903B J-BERT可以产生带各种抖动成分的Thunderbolt信号，但是AC-CM信号需要外加才能满足要去，可以用81160A任意波形发生器产生。仪器连接和设置图如图9所示。

图9   Thunderbolt Rx测试连接框图

8、Thunderbolt Cable性能测量

Thunderbolt电缆测试与其他高速数字电缆（如USB3.0，SATA, DisplayPort, HDMI等）测量无异，在此不再叙述。

参考资料

1. Thunderbolt超高速接口技术   百度百科
2. Thunderbolt Tx/Rx Compliance Test  Agilent Technologies