本應(yīng)用筆記介紹了一種新的測(cè)試方法，用來(lái)預(yù)測(cè)不平衡(不對(duì)稱)雙絞線在串行電纜上造成的抖動(dòng)。文中闡述了對(duì)于作為質(zhì)量評(píng)估的線對(duì)內(nèi)偏差的一些誤解和線對(duì)內(nèi)偏差與抖動(dòng)之間關(guān)系的錯(cuò)誤理解。本文澄清了一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題，即：電纜不平衡造成的差模電壓與共模電壓之間的相互轉(zhuǎn)換，不同模式的電壓具有不同的傳輸速率和損耗特性。本文介紹了一種廉價(jià)電纜傳輸數(shù)據(jù)時(shí)，不同模式電壓的轉(zhuǎn)換，合格/失效的判斷準(zhǔn)則與數(shù)據(jù)抖動(dòng)有關(guān)。

概述

1Gbps以上的串行數(shù)字視頻信號(hào)傳輸(如DVI?、HDMI?和DisplayPort?視頻接口標(biāo)準(zhǔn)要求)大大提高了對(duì)連接PC和HDTV顯示器電纜的性能要求。所以，傳統(tǒng)的模擬音頻/視頻電纜供應(yīng)商現(xiàn)在也必須與電信串行數(shù)字差分電纜制造商一樣，了解關(guān)于2.5Gbps InfiniBand?和PCI Express?、3.125Gbps CX4以及4.25Gbps Fibre Channel的知識(shí)。

本文著重介紹由于視頻信號(hào)的差模和共模分量的變換所引起的數(shù)據(jù)抖動(dòng)現(xiàn)象。本文還揭示了線對(duì)間信號(hào)偏移的神秘面紗，并建議通過(guò)測(cè)試電纜來(lái)預(yù)測(cè)抖動(dòng)。本文證明實(shí)際應(yīng)用中并不一定要求使用昂貴的具有良好性能的差分電纜，只需實(shí)現(xiàn)良好的平衡性即可。

DVI/HDMI系統(tǒng)在0.25Gbps至3.40Gbps范圍內(nèi)所要求的常見(jiàn)數(shù)字視頻傳輸差分電纜為100Ω屏蔽雙絞線(STP)，也可以使用100Ω的同軸電纜(twinax)，這也是數(shù)據(jù)通信中比較常見(jiàn)的電纜。

保持平衡

DVI、HDMI和DisplayPort系統(tǒng)都包括四對(duì)差分互連線路，以便進(jìn)行數(shù)字視頻傳輸。如能滿足兩個(gè)前提，則利用廉價(jià)的接收器件即可恢復(fù)信號(hào)：1) 差分通路保持傳輸信號(hào)為差分模式，僅引入極少甚至根本不引入共模信號(hào)；2) 差分通路保持平衡，這意味著兩根線對(duì)信號(hào)須保持對(duì)稱。

電纜將信號(hào)能量保持在差分模式時(shí)，在整個(gè)頻譜范圍內(nèi)會(huì)產(chǎn)生可預(yù)測(cè)的相位延遲及趨膚效應(yīng)損耗。這兩種效應(yīng)很容易補(bǔ)償。否則，信號(hào)將無(wú)法由常規(guī)的接收器恢復(fù)。當(dāng)然，差分耦合電纜(STP或twinax)上差模與共模之間的轉(zhuǎn)換會(huì)造成較大誤差，無(wú)法預(yù)測(cè)相位延遲和信號(hào)損耗。

不一致造成的。例如，假設(shè)一對(duì)同軸電纜的長(zhǎng)度不同(圖1)。輸入為差模信號(hào)，不存在共模電壓。而輸出信號(hào)將出現(xiàn)對(duì)應(yīng)于傳輸延遲的線對(duì)偏差，除線對(duì)偏差外，還會(huì)產(chǎn)生共模能量，造成差模能量降低。

圖1. 簡(jiǎn)單線對(duì)偏移將部分差模信號(hào)轉(zhuǎn)換為共模(CM)能量

本例采用的激勵(lì)為正弦波，而非數(shù)字不歸零(NRZ)波形。圖1所示同軸電纜的偏移延遲在整個(gè)頻率范圍內(nèi)為常數(shù)。然而，STP或twinax電纜內(nèi)數(shù)字NRZ波形的每個(gè)正弦(傅里葉)分量都會(huì)產(chǎn)生不同的偏移。

關(guān)于線對(duì)內(nèi)偏差的誤解

差模和共模之間的能量轉(zhuǎn)換是一種常見(jiàn)的測(cè)量考慮因素，電纜制造商經(jīng)常把線對(duì)內(nèi)延遲偏差作為電纜質(zhì)量保證(QA)的測(cè)試項(xiàng)目。然而，傳統(tǒng)的測(cè)量線對(duì)內(nèi)偏差的方法可能會(huì)得出一個(gè)錯(cuò)誤結(jié)論，認(rèn)為抖動(dòng)是不可預(yù)測(cè)的。

誤解1：線對(duì)內(nèi)傳輸偏移相對(duì)于頻率為固定值。

這種說(shuō)法對(duì)于非差分耦合線對(duì)是正確的，例如同軸電纜，但是對(duì)于差分耦合電纜并非如此，例如STP和twinax。圖2給出了28AWG twinax雙絞線電纜的測(cè)試結(jié)果。線對(duì)內(nèi)偏移實(shí)際上在不同頻率下會(huì)發(fā)生極性變化。

圖2. 28AWG twinax電纜線對(duì)內(nèi)偏移與頻率的對(duì)應(yīng)關(guān)系

誤解2：線對(duì)內(nèi)傳輸斜移與電纜長(zhǎng)度成正比。

這種說(shuō)法在頻率非常低時(shí)(波長(zhǎng)相對(duì)于電纜長(zhǎng)度而言)是正確的，但是對(duì)于差分耦合電纜(例如STP和twinax)，在高頻時(shí)并非如此。圖2所示為不同長(zhǎng)度28AWG twinax電纜線對(duì)內(nèi)的傳輸偏移情況。注意，在在300MHz和1500MHz之間，10英尺長(zhǎng)度時(shí)線對(duì)內(nèi)偏移最嚴(yán)重。

誤解3：線對(duì)內(nèi)傳輸偏移可以通過(guò)階躍激勵(lì)測(cè)試進(jìn)行預(yù)測(cè)。

這種測(cè)試方法向電纜的一端注入一個(gè)差分或單端電壓階躍信號(hào)，然后在電纜的另一端測(cè)量(+)和(-)信號(hào)沿之間的時(shí)間差(偏移)。不幸的是，電纜本身會(huì)對(duì)這些輸出沿進(jìn)行低通濾波，這種影響對(duì)于長(zhǎng)電纜是動(dòng)態(tài)變化的。該方法可檢驗(yàn)低頻線對(duì)偏移，但是關(guān)于對(duì)串行數(shù)字視頻影響最大的高頻線對(duì)偏移，卻說(shuō)明不了任何問(wèn)題。

由此說(shuō)明，對(duì)于STP和twinax電纜，線對(duì)內(nèi)偏移是頻率的函數(shù)。圖3所示為DVI系統(tǒng)利用50m 22AWG STP電纜傳輸信號(hào)的測(cè)量結(jié)果。注意，對(duì)于WUXGA顯示所要求的1.64Gbps視頻碼率，階躍激勵(lì)法預(yù)測(cè)線對(duì)內(nèi)偏移為300ps，大約為半個(gè)周期(0.5UI)。因此對(duì)于DVI/HEMI標(biāo)準(zhǔn)來(lái)說(shuō)，該電纜的線對(duì)內(nèi)偏移指標(biāo)是不合格的。然而，接收器的均衡眼圖看起來(lái)卻很好，這是因?yàn)樵撾娎|內(nèi)的高頻線對(duì)內(nèi)偏移非常低，使其在1.65Gbps下具有卓越的性能。階躍激勵(lì)法僅僅能夠檢查低頻線對(duì)內(nèi)偏移。所以，千萬(wàn)不要把這種電纜給扔掉！

圖3. 階躍激勵(lì)法不能預(yù)測(cè)串行數(shù)據(jù)抖動(dòng)

差分耦合線對(duì)

如圖4所示，耦合電纜(STP、UTP、twinax)的差分特征阻抗包括線對(duì)中(+)和(-)線(Z1)以及每根線和地(Z2、Z3)之間的耦合。差分線對(duì)中的任何不平衡(其中Z2 ≠ Z3)，例如長(zhǎng)度不對(duì)稱或絞合及電介質(zhì)環(huán)境的不對(duì)稱，都會(huì)引起差模-共模之間的轉(zhuǎn)換，其影響是可預(yù)測(cè)的，例如線對(duì)內(nèi)傳輸偏移。

圖4. 非耦合(同軸)和耦合(twinax、STP) 100Ω差分線對(duì)

耦合電纜中的另一種復(fù)雜情況是，差模和共模信號(hào)的傳輸速度不同，在長(zhǎng)電纜內(nèi)可產(chǎn)生幾個(gè)ns的差異。當(dāng)差模能量轉(zhuǎn)換成共模能量，或相反時(shí)，所產(chǎn)生的相位是隨機(jī)的。這種影響是造成差模抖動(dòng)的原因之一。當(dāng)信號(hào)在兩種模式之間隨意轉(zhuǎn)換時(shí)，將無(wú)法預(yù)測(cè)電纜頻率和相位響應(yīng)。

由于趨膚效應(yīng)，差模和共模信號(hào)還具有不同的損耗率(單位為dB/m)。這種效應(yīng)并非全是壞事，因?yàn)榭沙浞掷闷鋬?yōu)勢(shì)：若電纜的共模損耗明顯高于其差模損耗，其線對(duì)內(nèi)傳輸偏移將較小。若電纜在輸出端沒(méi)有共模能量，則根本就不存在線對(duì)內(nèi)傳輸偏移。一個(gè)極端的例子是，CAT5 UTP電纜內(nèi)的高頻共模能量將作為EMI耗散(因?yàn)樗鼪](méi)有屏蔽層)，僅剩下差模能量。所以，不存在線對(duì)內(nèi)傳輸偏移。

預(yù)測(cè)差模-共模轉(zhuǎn)換抖動(dòng)

簡(jiǎn)單的雙向轉(zhuǎn)換(差模至共模以及相反)模型很能說(shuō)明問(wèn)題，雖然這明顯是一個(gè)連續(xù)過(guò)程的集中近似。模式轉(zhuǎn)換是漸進(jìn)的，并且可能是局部或多步進(jìn)行的，這取決于相對(duì)于波長(zhǎng)的電纜長(zhǎng)度(圖5)。

圖5. 電纜長(zhǎng)度范圍內(nèi)的模式轉(zhuǎn)換

注意，共模信號(hào)本身并不會(huì)造成差模信號(hào)的定時(shí)抖動(dòng)，而是其模式轉(zhuǎn)換在差模信號(hào)中引入了不一致的信號(hào)，從而破壞了信號(hào)的完整性。所以，通過(guò)測(cè)量共模能量(給一個(gè)差分激勵(lì))，可獲得模式轉(zhuǎn)換的證據(jù)，從中即可評(píng)估差模抖動(dòng)。

通過(guò)測(cè)量電纜質(zhì)量即可預(yù)測(cè)其傳輸數(shù)字視頻信號(hào)的質(zhì)量。例如，它應(yīng)能預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)中的過(guò)零抖動(dòng)，這是由于在接收器內(nèi)趨膚效應(yīng)和介電損耗理想平衡之后的電纜不平衡造成的殘余抖動(dòng)。采用階躍激勵(lì)法測(cè)量線對(duì)內(nèi)傳輸偏移不適合用于預(yù)測(cè)抖動(dòng)。

因此，我們建議通過(guò)測(cè)量差模-共模轉(zhuǎn)換作為預(yù)測(cè)電纜不平衡造成的數(shù)據(jù)抖動(dòng)特性的更好方法。理想情況下，在電纜輸出端僅存在差模能量，而沒(méi)有共模能量。如果出現(xiàn)了共模能量，則說(shuō)明電纜存在某種不平衡，已經(jīng)將部分差模能量轉(zhuǎn)換為了共模能量。

作為一種探索性的論據(jù)，我們可在電纜輸入端采用一種具有正弦差模源的簡(jiǎn)單模型。

假設(shè)電纜中的部分正弦波能量從差模轉(zhuǎn)換為了共模，并且對(duì)稱地，相同部分的能量被轉(zhuǎn)換為差模。采用S參數(shù)命名轉(zhuǎn)換，兩個(gè)轉(zhuǎn)換系數(shù)分別為SCD21和SDC21 (注意輸出端編號(hào)在前)：

SCD21為端口1至端口2的差模-共模轉(zhuǎn)換

SDC21為端口1至端口2的共模-差模轉(zhuǎn)換

在實(shí)際電纜中，SCD21 (幅值) = SDC21 (幅值)很接近

SDD21為端口1至端口2的差模傳輸

假設(shè)造成全部轉(zhuǎn)換(從差模至共模以及相反)的能量具有任意相位。這是差模和共模信號(hào)的傳輸速度不同造成的，這在STP和twinax電纜中很常見(jiàn)。并且假設(shè)電纜長(zhǎng)度足以使延遲差大約正弦波周期。

圖6. 過(guò)零定時(shí)抖動(dòng)TJ(pk)是由于SCD21和SDC21引起的，所有部波形均為差分信號(hào)(未顯示單端信號(hào))。

由于本身通過(guò)SCD21和SDC21返回的原因，差分正弦分量的過(guò)零點(diǎn)會(huì)產(chǎn)生平移TJ(pk) (圖6)。注意，返回的差模分量在差分輸出信號(hào)中的過(guò)零點(diǎn)具有最大幅值，它引起了最嚴(yán)重的偏移。產(chǎn)生TJ(pk)抖動(dòng)所必需的返回幅值A(chǔ)(dB)相對(duì)于總差模輸出電平(SDD21)為：

由于在實(shí)際電纜中存在SCD21 (幅值) = SDC21 (幅值)的非常近似，所以利用電纜輸出端的共模和差模電平之差即可衡量由于不平衡造成影響小于TJ(pk-to-pk)抖動(dòng)的電纜質(zhì)量。

式中由于不平衡造成的抖動(dòng)為：

TJ(pk-to-pk) = 2 × TJ(pk)

圖7所示為電纜的共模和差模響應(yīng)，圖8中繪制了其差異，為共模相對(duì)于差模輸出的曲線。圖8還包括0.1UI和0.2UI的測(cè)試圖(在差模過(guò)零TJ[pk]時(shí)為常量)，其中UI是給定數(shù)據(jù)速率下的碼周期的單位間隔。例如，1.65Gbps (WUXGA)下的0.1UI抖動(dòng)曲線呈現(xiàn)最大過(guò)零誤差為常數(shù)60psP-P。

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圖7. 60m電纜的頻響，顯示了共模輸出(SCD21)和差模輸出(SDD21)。數(shù)據(jù)是在MAX3815 TMDS數(shù)字視頻均衡器上獲得的。

圖8. (SCD21–SDD21)曲線，繪制了合格/不合格的模板。

測(cè)試模板與簡(jiǎn)化

如果圖8中的電纜測(cè)量值(SCD21 - SDD21)在任何點(diǎn)達(dá)到了0.1UI，則說(shuō)明電纜不平衡產(chǎn)生了潛在的0.1UIP-P抖動(dòng)。也就是說(shuō)，如果數(shù)據(jù)信號(hào)序列中的頻譜分量正好與電纜測(cè)量值達(dá)到0.1UIP-P測(cè)試圖時(shí)的頻率相一致，該頻譜分量的過(guò)零誤差(相移范圍)則為0.1UIP-P (60psP-P)。

DVI和HDMI TMDS?信號(hào)是非擾碼的，所以其頻譜的諧波分量根據(jù)數(shù)據(jù)內(nèi)容而變化。因此，假設(shè)其整個(gè)頻譜在時(shí)間上“遍歷”，并且主要分量介于大約(數(shù)據(jù)率)/20和(數(shù)據(jù)率) × 0.8之間是合理的(注意，NRZ數(shù)據(jù)信號(hào)的sinc2冪函數(shù)在頻率 = 數(shù)據(jù)碼率時(shí)將為零)。

圖9所示為根據(jù)式2簡(jiǎn)化的合格/不合格測(cè)試圖。在0.05至0.25倍最大碼率下，0.1UIP-P測(cè)試圖為-11dB，在0.8倍最大碼率時(shí)平坦上升至-6dB。該測(cè)試圖與電纜的規(guī)定工作碼率(本例中為1.65Gbps)成簡(jiǎn)單比例關(guān)系。

圖9. 簡(jiǎn)化測(cè)試模板，建議采用0.1UIP-P合格/不合格檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)。

簡(jiǎn)化測(cè)試圖還考慮了基波小于0.25倍最大碼率時(shí)的總諧波因素。圖10所示為以下的公式曲線(僅基波)，以及低頻時(shí)的2分量和3分量抖動(dòng)抑制的偏移。

圖10. 簡(jiǎn)化測(cè)試模板，僅繪制了基波和多諧波情況下的曲線。

基波低于0.25倍最大碼率的NRZ數(shù)據(jù)模型包含有助于抑制經(jīng)過(guò)模式轉(zhuǎn)換的單分量不確定返回的諧波。由于均衡器和接收器電路的頻響通常在0.75倍最大碼率以上滾降(也就是基波為0.25倍最大碼率時(shí)的3次諧波)，所以高于0.25倍最大碼率的基波可能不包含起作用的諧波。

大量經(jīng)過(guò)測(cè)試的電纜在單一的最差頻率下呈現(xiàn)出最大抖動(dòng)。結(jié)合信號(hào)不斷變化的諧波分量，這種效應(yīng)支持了關(guān)于模板的單一最差頻率的假設(shè)。

采用0.1UIP-P合格/不合格測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)，或更嚴(yán)格的標(biāo)準(zhǔn)

DVI/HDMI TMDS電纜互連允許大約為0.2UIP-P總疊加抖動(dòng)，它是TMDS Tx測(cè)試圖和Rx測(cè)試圖之差。0.2UIP-P正好滿足這一標(biāo)準(zhǔn)，不允許信道中再有其它抖動(dòng)因素。

因此，圖10所示的0.1UIP-P合格/不合格測(cè)試模板是所推薦的基本標(biāo)準(zhǔn)，為信號(hào)中其它抖動(dòng)因素預(yù)留了空間，例如連接器，以及來(lái)自于均衡和切換的殘余抖動(dòng)。為了獲得更好的電纜性能，可采用更加嚴(yán)格的標(biāo)準(zhǔn)。例如，您可采用0.05UIP-P合格/不合格測(cè)試模板。

測(cè)量差模與共模之間的轉(zhuǎn)換

相對(duì)于差模通過(guò)響應(yīng)(SDD21)，我們建議直接測(cè)量差模-共模轉(zhuǎn)換(SCD21)，這也是最有價(jià)值、最靈活以及最經(jīng)濟(jì)的測(cè)試方法。目標(biāo)是：

獲得具有均衡抖動(dòng)性能的NRZ信號(hào)的可預(yù)測(cè)性結(jié)果

經(jīng)濟(jì)的測(cè)試方法—應(yīng)不需要昂貴的示波器或網(wǎng)絡(luò)分析儀

簡(jiǎn)單的合格/不合格測(cè)試圖。

將一個(gè)4端口S參數(shù)網(wǎng)絡(luò)分析儀配置為一臺(tái)2端口差分分析儀(

圖11

)，可直接測(cè)量SDD21和SCD21，但其價(jià)格($50k至$100k)并不滿足以上的第2條目標(biāo)。作為一種替代方案，您可采用低成本的測(cè)試配置(

圖12

)準(zhǔn)確測(cè)量SDD21和SCD21，該配置包括1臺(tái)正弦信號(hào)發(fā)生器、2個(gè)平衡-不平衡變壓器(balun)和2個(gè)功率計(jì)(或一個(gè)雙路輸入功率計(jì))。這些設(shè)備都早已是成熟產(chǎn)品，所以您可充分利用二手設(shè)備市場(chǎng)，將費(fèi)用保持在$10k以下。

圖11. 將一臺(tái)4端口S參數(shù)網(wǎng)絡(luò)分析儀配置成一臺(tái)2端口分析儀

圖12. 該測(cè)試配置采用低成本信號(hào)發(fā)生器、耦合器和功率計(jì)

該測(cè)試配置中的關(guān)鍵部分是M/A-COM (Tyco Electronics?，泰科電子公司的一個(gè)子公司)的H9-SMA型耦合器，頻譜范圍為2MHz至2GHz。第1個(gè)耦合器從單端正弦信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生差模源信號(hào)，第2個(gè)耦合器從測(cè)量中分離出差模(SDD21)和共模(SCD21)信號(hào)。

采用高質(zhì)量的SMA電纜，以及在標(biāo)注的地方采用匹配長(zhǎng)度的線對(duì)?？蓮?a href="http://www.www27dydycom.cn/tags/泰克/" target="_blank">泰克(Tektronix?)和安捷倫(Agilent?)購(gòu)買SMA-DVI/HDMI測(cè)試電路板。測(cè)試關(guān)心的頻率范圍內(nèi)的(SCD21[dB] - SDD21[dB])，并相對(duì)于合格/不合格測(cè)試圖繪制其曲線。

結(jié)論

如果電纜僅僅存在很小抖動(dòng)，或者不存在抖動(dòng)或差模-共模轉(zhuǎn)換，可以采用廉價(jià)器件從長(zhǎng)電纜中恢復(fù)數(shù)字視頻數(shù)據(jù)。這些電纜在其頻譜范圍內(nèi)具有可預(yù)測(cè)的相位延遲和損耗，很容易補(bǔ)償。如果電纜存在嚴(yán)重的差模-共模轉(zhuǎn)換，以上方法則不適用。

線對(duì)內(nèi)傳輸偏移被誤認(rèn)為是一種衡量DVI、HDMI和DisplayPort數(shù)字視頻的STP和Twinax電纜傳輸質(zhì)量的常用參數(shù)。利用傳統(tǒng)的階躍激勵(lì)法測(cè)量線對(duì)內(nèi)偏移作為衡量串行數(shù)字視頻電纜傳輸質(zhì)量的標(biāo)準(zhǔn)也是一種誤導(dǎo)。所以，一種最直接、靈活和經(jīng)濟(jì)的測(cè)試方法是：直接測(cè)量關(guān)鍵參數(shù)，即測(cè)量由于電纜不平衡造成的差模與共模之間的轉(zhuǎn)換。

審核編輯：郭婷