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高速數字電纜測量介紹HPD差分線
- 更新時間：2024-11-19
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郭中清 先生（銷售部總經理）
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高速數字電纜測量（皖特纜牌）介紹
安徽天纜電氣現在，高速數字接口標準眾多，這些標準使用的高速數字電纜也各不相同，而制造這些線纜的公司大都在中國，重點分布區域是華東和華南。這些高速數字電纜的信號速率主流已經達到5Gbps到10Gbps，電氣性能參數測量是的環節。
皖特纜牌測量過程中，使用的電子儀器種類較多，很多工程師已經分不清楚狀況，甚至有些用戶被電子儀器供應商忽悠，購買了不能滿足技術要求或測試效率底下的儀器。
基于這種現狀，我們的應用工程部的多位工程師進行了研究和商討，后由我做個總結，把熱點數字電纜的背景和概況、規范要求的測試參數、規范推薦的測試儀器、測試夾具和測試軟件信息等做個總覽式的介紹，供大家參考。
現在到未來幾年，都會較流行的高速數字電纜如下：
HDMI1.4，DisplayPort1.2，USB3.0，SATA3.0，SAS2.0/3.0，Thunderbolt，PCIe2.0，SFP+，Infiniband。
下面先簡單介紹每種標準和電纜的概況。
1、HDMI 1.4
圖1. HDMI電纜簡單圖示
? HDMI 是消費電子的數字視頻、音頻設備互連的多媒體接口標準。
? 即插即用，通過一根單一的數字電纜連接。足夠的帶寬承載高清電影、游戲和豐富的音頻數據。
? 采用TMDS總線架構：4對差分線，其中1對傳時鐘，3對傳數據。
? 信號速率高達3.4Gbps。
? 支持無源電纜，長度可達15米。
? 規范組織是HDMI（www.hdmi.org）
2、DisplayPort 1.2
圖2. DisplayPort電纜簡單圖示
? 計算機領域與HDMI競爭的一個標準，用于連接計算機與顯示器的高清數字接口。
? 采用與PCIe x4類似的結構，共4對差分傳輸線。
? 連接器與HDMI類似，增加了鎖定功能。
? 信號速率高達5.4Gbps。
? 支持無源電纜，電纜長度高達15米。
? 規范組織是VESA（www.vesa.org）
3、USB 3.0
圖3. USB3.0電纜簡單圖示
? USB 3.0 也叫 SuperSpeed USB，是由Inter等公司發起的USB規范的新標準，用于外圍設備和消費電子產品與PC之間的高速數據互通。
? USB3.0采用2對差分線結構，1收1發。
? USB3.0信號速率達到5Gbps。
? USB 3.0 A型連接器與USB 2.0連接器兼容。
? USB 3.0可采用無源電纜，長度可達5米。
? 規范組織是USB-IF（www.usb.org）
4、SATA 3.0
圖4. SATA3.0電纜簡單圖示
? Serial ATA亦稱串行ATA，主要應用領域是主板和大量儲存裝置（如硬盤及光驅）之間的數據傳輸。
? SATA 3.0 采用2對差分線結構，1收1發。
? SATA 3.0信號速率可達6Gbps。
? 還有eSATA/SATA Express延伸標準。eSATA與USB3.0有競爭關系，速率達3Gbps。SATA Express是新的標準，信號速率可達8Gbps或16Gbps。
? 采用無源電纜，長度可達3米。
? 規范組織是SAT-IO（www.serialata.org）
5、SAS 2.0/3.0
圖5. SAS簡單圖示
? SAS是新一代的SCSI技術，用于控制器和存儲設備間的互連。SAS與現在流行的Serial ATA(SATA)硬盤相同，都是采用串行技術以獲得更高的傳輸速度，并通過縮短連結線改善內部空間等。
? SAS可以向下兼容SATA。SAS連接器與SATA連接器看上去類似，所以SAS驅動器和SATA驅動器可以同時存在于一個存儲系統之中。
? 采用2對差分結構，1收1發。
? SAS2.0信號速率為6Gbps，SAS3.0信號速率高達12Gbps。
? 支持無源電纜，長度可達3米。
? 規范組織是SCSI貿易協會（www.scsita.org）
6、Thunderbolt
圖6. Thunderbolt電纜簡單圖示
? 主要用于計算機與外設的互連（現在的蘋果電腦已支持）。
? 雙通道傳輸，每個通道一收一發兩對差分線。
? 每對差分線信號速率:10.3125 Gbps。
? 支持有源電纜或有源光纜，電纜長度長達3米。
? 支持雙協議(PCIe和DP) 。
? 使用mDP連接器，接口兼容DP++標準。
? 可以菊花鏈式支持多個設備互連。
? 規范組織是TBT（https://thunderbolttechnology.net/）
7、PCIe 2.0
圖7. PCIe 2.0 電纜簡單圖示
? 主要用于計算機與外設的互連（0.9版本規范剛發布）。
? 支持x1，x2，x4，x8，x16互連（x1指一個Lane，1收1發共2對差分傳輸線結構）。
? 每對差分線信號速率: 5Gbps。
? 支持無源電纜，電纜長度沒有規定，但延遲要小于66ns（約10米長度）。 （有源電纜和光纜暫無信息。）
? 支持PCIe1.0和PCIe2.0標準。
? 1x到16x連接器都不一樣。
? 點對點式的互連。
? 規范組織是PCISIG（www.pcisig.com）
8、SFP+
圖8. SFP+電纜簡單圖示
? SFP/SFP+是Small Form-factor Pluggables/Enhanced SFP的簡稱。用于Fibre Channel, 10G Ethernet，Optical Transport Network等通訊設備的互連。本來都是用光纖進行互連的，對于短距離，考慮成本，也用電纜進行互連。
? 2對差分線結構，1收1發。
? SFP信號速率高位4.25Gbps。SFP+則高達11.1Gbps。
? 規范未定義電纜長度，市場上長可達12m。
? SFP+電纜價格較貴，有的高達200美金。
? 規范組織是SFF Committee（ http://sffcommittee.org/）
9、Infiniband
圖9. Infinband發展規劃
? Infiniband主要設計目的是針對服務器端的連接問題的。因此，InfiniBand技術將會被應用于服務器與服務器（比如復制，分布式工作等），服務器和存儲設備（比如SAN和直接存儲附件）以及服務器和網絡之間（比如LAN， WANs和Internet）的通信。
? Infiniband支持1x，4x和12x互連。1x是2對差分結構，1收1發。
? 信號速率: SDR(2.5Gbps), DDR(5Gbps), QDR(10Gbps), FDR(14.062Gbps), EDR(15.78128Gbps)
? 電纜長度制，一般FDR無源電纜可達10米。
? 規范組織是Infiniband貿易協會（www.infinibandta.org）
規范要求的測量參數和推薦的電子儀器如下。因為大多規范未推薦測量儀器，根據歷史經驗，我們推薦了一些測量儀器，在此一并列出。
? HDMI 1.4：
?要求測量參數：TMDS 數據眼圖，線對內時延差，線對間時延差，差分阻抗， 遠端串擾，衰減
?規范推薦儀器：E4887A+實時示波器，DCA-TDR，E5071C
? DisplayPort 1.2：
?要求測量參數：線對間時延，線對內時延，遠端串擾，特征阻抗，插損，近端串擾，回波損耗
?規范未推薦測試儀器。我們推薦的儀器：E5071C（帶TDR選件）
? USB 3.0：
?要求測量參數：特征阻抗，插損，近端和遠端串擾，線對內時延/時延差，差模到共模轉換
?規范推薦儀器：DCA-TDR/ENA-TDR，E5071C
? SATA 3.0（SAS未做具體要求，因為兼容SATA，所以暫按SATA定義SAS參數要求）：
?要求測量參數：差分阻抗，共模阻抗，遠端串擾，插損，上升時間，碼間干擾，線對內時延差
?規范推薦儀器：ENA-TDR，E5071C
? Thunderbolt（有源電纜）：
?要求測量參數：回波損耗，CDR帶寬和頻響，眼圖，抖動， 電源（共模和差模）
?規范未推薦儀器。我們推薦的儀器：碼型發生器N4903B，示波器DSAX90000A
? PCIe 2.0：
?要求測量參數：插損，回波損耗，近端串擾/多干擾近端串擾，遠端串擾/多干擾遠端串擾，差模到共模模式轉換，線對內和對間時延差
?規范未推薦測試儀器。我們推薦的儀器：網絡分析儀E5071C（帶TDR選件）
? SFP+：
?要求測量參數（要求使用激勵響應法測量）：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，損耗，損耗串擾比
?規范未推薦儀器。我們推薦的儀器：碼型發生器N4903B，示波器DSAX90000A，網絡分析儀E5071C
? Infiniband：
?要求測量參數（無源電纜）：差分阻抗，線對間時延差，插損，回波損耗，多干擾串擾
?要求測量參數（有源電纜）：眼圖，抖動，共模電壓，差模和共模回波損耗，上升時間
?規范未推薦儀器。我們推薦的儀器：碼型發生器N4903B，示波器DSAX90000A，網絡分析儀E5071C（帶TDR選件）
高速數字電纜測量小結：
? 無源電纜測量參數：差分阻抗，時延差，差分S參數為主。使用儀器是TDR，VNA。
? 有源電纜以激勵響應方法測量：眼圖，抖動及相關參數為主。使用儀器是碼型發生器PG，示波器Scope。
? 推薦測試儀器的規范有：HDMI1.4，USB3.0，SATA3.0。
? 大部分規范未推薦測試儀器。
讓工程師困惑的是，現在市場上有多種TDR可進行阻抗/延時/延時差等測量，它們是否有差別？
現在把市場上測量阻抗的TDR儀器對比說明如下。
（其中：DCA-TDR指的是基于采樣示波器86100D的TDR；
ENA-TDR指的是基于網絡分析儀E5071C的TDR；
Other-TDR指的是市場上其他公司基于采樣示波器的TDR）
? Agilent的DCA-TDR與ENA-TDR測試結果一致，誤差在0.4歐姆以內。
? Other-TDR與Agilent DCA-TDR/ENA-TDR測試結果有差別，主要原因是Other-TDR未做測試電纜的校準，僅使用內部空氣線校準，僅校準到模塊端口。
如果Other-TDR用配套軟件，校準到測試電纜的端口，則Other-TDR與Agilent DCA-TDR/ENA-TDR結果一致。
? 現在有疑問的是HDMI電纜的測量，因為初HDMI CTS僅推薦Other-TDR（現在Other-TDR和Agilent的DCA-TDR都推薦），很多公司已經購買了Other-TDR，這可能導致Agilent DCA-TDR/ENA-TDR與Other-TDR測試結果的不一致。
? Other-TDR加上相應軟件也可進行S參數測量，DCA加上S參數選件也可進行S參數測量，這些使用采樣示波器進行S參數測量都存在的問題：
校準速度慢（使用機械校準件，儀器需要多次平均，速度較慢，一般需要6分鐘以上）；
測試速度慢（為了提高動態范圍，需要多次平均如256次）；
測試精度低（儀器使用寬帶接收機，動態范圍一般只有40dB）；
對靜電異常敏感（TDR都沒有ESD保護電路，對靜電非常敏感）。
所以，綜合來看，使用E5071C（帶TDR選件）進行數字電纜的測量是優選的方案。
