不平衡雙絞線會造成抖動

本應(yīng)用筆記介紹了一種新的測試方法，用來預(yù)測不平衡(不對稱)雙絞線在串行電纜上造成的抖動。文中闡述了對于作為質(zhì)量評估的線對內(nèi)偏差的一些誤解和線對內(nèi)偏差與抖動之間關(guān)系的錯誤理解。本文澄清了一個關(guān)鍵問題，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電纜傳輸數(shù)據(jù)時，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)抖動有關(guān)。

概述

1Gbps以上的串行數(shù)字視頻信號傳輸(如DVI?、HDMI?和DisplayPort?視頻接口標(biāo)準(zhǔn)要求)大大提高了對連接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。

本文著重介紹由于視頻信號的差模和共模分量的變換所引起的數(shù)據(jù)抖動現(xiàn)象。本文還揭示了線對間信號偏移的神秘面紗，并建議通過測試電纜來預(yù)測抖動。本文證明實際應(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)通信中比較常見的電纜。

保持平衡

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

電纜將信號能量保持在差分模式時，在整個頻譜范圍內(nèi)會產(chǎn)生可預(yù)測的相位延遲及趨膚效應(yīng)損耗。這兩種效應(yīng)很容易補償。否則，信號將無法由常規(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)換會造成較大誤差，無法預(yù)測相位延遲和信號損耗。

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

圖1. 簡單線對偏移將部分差模信號轉(zhuǎn)換為共模(CM)能量

本例采用的激勵為正弦波，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波形的每個正弦(傅里葉)分量都會產(chǎn)生不同的偏移。

關(guān)于線對內(nèi)偏差的誤解

差模和共模之間的能量轉(zhuǎn)換是一種常見的測量考慮因素，電纜制造商經(jīng)常把線對內(nèi)延遲偏差作為電纜質(zhì)量保證(QA)的測試項目。然而，傳統(tǒng)的測量線對內(nèi)偏差的方法可能會得出一個錯誤結(jié)論，認(rèn)為抖動是不可預(yù)測的。

誤解1：線對內(nèi)傳輸偏移相對于頻率為固定值。

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

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

誤解2：線對內(nèi)傳輸斜移與電纜長度成正比。

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

誤解3：線對內(nèi)傳輸偏移可以通過階躍激勵測試進(jìn)行預(yù)測。

這種測試方法向電纜的一端注入一個差分或單端電壓階躍信號，然后在電纜的另一端測量(+)和(-)信號沿之間的時間差(偏移)。不幸的是，電纜本身會對這些輸出沿進(jìn)行低通濾波，這種影響對于長電纜是動態(tài)變化的。該方法可檢驗低頻線對偏移，但是關(guān)于對串行數(shù)字視頻影響最大的高頻線對偏移，卻說明不了任何問題。

由此說明，對于STP和twinax電纜，線對內(nèi)偏移是頻率的函數(shù)。圖3所示為DVI系統(tǒng)利用50m 22AWG STP電纜傳輸信號的測量結(jié)果。注意，對于WUXGA顯示所要求的1.64Gbps視頻碼率，階躍激勵法預(yù)測線對內(nèi)偏移為300ps，大約為半個周期(0.5UI)。因此對于DVI/HEMI標(biāo)準(zhǔn)來說，該電纜的線對內(nèi)偏移指標(biāo)是不合格的。然而，接收器的均衡眼圖看起來卻很好，這是因為該電纜內(nèi)的高頻線對內(nèi)偏移非常低，使其在1.65Gbps下具有卓越的性能。階躍激勵法僅僅能夠檢查低頻線對內(nèi)偏移。所以，千萬不要把這種電纜給扔掉！

圖3. 階躍激勵法不能預(yù)測串行數(shù)據(jù)抖動

差分耦合線對

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

圖4. 非耦合(同軸)和耦合(twinax、STP) 100Ω差分線對

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

由于趨膚效應(yīng)，差模和共模信號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，因為可充分利用其優(yōu)勢：若電纜的共模損耗明顯高于其差模損耗，其線對內(nèi)傳輸偏移將較小。若電纜在輸出端沒有共模能量，則根本就不存在線對內(nèi)傳輸偏移。一個極端的例子是，CAT5 UTP電纜內(nèi)的高頻共模能量將作為EMI耗散(因為它沒有屏蔽層)，僅剩下差模能量。所以，不存在線對內(nèi)傳輸偏移。

預(yù)測差模-共模轉(zhuǎn)換抖動

簡單的雙向轉(zhuǎn)換(差模至共模以及相反)模型很能說明問題，雖然這明顯是一個連續(xù)過程的集中近似。模式轉(zhuǎn)換是漸進(jìn)的，并且可能是局部或多步進(jìn)行的，這取決于相對于波長的電纜長度(圖5)。

圖5. 電纜長度范圍內(nèi)的模式轉(zhuǎn)換

注意，共模信號本身并不會造成差模信號的定時抖動，而是其模式轉(zhuǎn)換在差模信號中引入了不一致的信號，從而破壞了信號的完整性。所以，通過測量共模能量(給一個差分激勵)，可獲得模式轉(zhuǎn)換的證據(jù)，從中即可評估差模抖動。

通過測量電纜質(zhì)量即可預(yù)測其傳輸數(shù)字視頻信號的質(zhì)量。例如，它應(yīng)能預(yù)測數(shù)據(jù)中的過零抖動，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。采用階躍激勵法測量線對內(nèi)傳輸偏移不適合用于預(yù)測抖動。

因此，我們建議通過測量差模-共模轉(zhuǎn)換作為預(yù)測電纜不平衡造成的數(shù)據(jù)抖動特性的更好方法。理想情況下，在電纜輸出端僅存在差模能量，而沒有共模能量。如果出現(xiàn)了共模能量，則說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，兩個轉(zhuǎn)換系數(shù)分別為SCD21和SDC21 (注意輸出端編號在前)：

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的傳輸速度不同造成的，這在STP和twinax電纜中很常見。并且假設(shè)電纜長度足以使延遲差大約正弦波周期。

圖6. 過零定時抖動TJ(pk)是由于SCD21和SDC21引起的，所有部波形均為差分信號(未顯示單端信號)。

由于本身通過SCD21和SDC21返回的原因，差分正弦分量的過零點會產(chǎn)生平移TJ(pk) (圖6)。注意，返回的差模分量在差分輸出信號中的過零點具有最大幅值，它引起了最嚴(yán)重的偏移。產(chǎn)生TJ(pk)抖動所必需的返回幅值A(chǔ)(dB)相對于總差模輸出電平(SDD21)為：

由于在實際電纜中存在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)抖動的電纜質(zhì)量。

式中由于不平衡造成的抖動為：

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，為共模相對于差模輸出的曲線。圖8還包括0.1UI和0.2UI的測試圖(在差模過零TJ[pk]時為常量)，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抖動曲線呈現(xiàn)最大過零誤差為常數(shù)60psP-P。

清晰圖片(PDF，314kB)
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。

測試模板與簡化

如果圖8中的電纜測量值(SCD21 - SDD21)在任何點達(dá)到了0.1UI，則說明電纜不平衡產(chǎn)生了潛在的0.1UIP-P抖動。也就是說，如果數(shù)據(jù)信號序列中的頻譜分量正好與電纜測量值達(dá)到0.1UIP-P測試圖時的頻率相一致，該頻譜分量的過零誤差(相移范圍)則為0.1UIP-P (60psP-P)。

DVI和HDMI TMDS?信號是非擾碼的，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)其整個頻譜在時間上“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)信號的sinc2冪函數(shù)在頻率 = 數(shù)據(jù)碼率時將為零)。

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

圖9. 簡化測試模板，建議采用0.1UIP-P合格/不合格檢測標(biāo)準(zhǔn)。

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

圖10. 簡化測試模板，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)過測試的電纜在單一的最差頻率下呈現(xiàn)出最大抖動。結(jié)合信號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，它是TMDS Tx測試圖和Rx測試圖之差。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因素。

因此，圖10所示的0.1UIP-P合格/不合格測試模板是所推薦的基本標(biāo)準(zhǔn)，為信號中其它抖動因素預(yù)留了空間，例如連接器，以及來自于均衡和切換的殘余抖動。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/不合格測試模板。

測量差模與共模之間的轉(zhuǎn)換

相對于差模通過響應(yīng)(SDD21)，我們建議直接測量差模-共模轉(zhuǎn)換(SCD21)，這也是最有價值、最靈活以及最經(jīng)濟的測試方法。目標(biāo)是：

獲得具有均衡抖動性能的NRZ信號的可預(yù)測性結(jié)果

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

簡單的合格/不合格測試圖。

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

圖11

)，可直接測量SDD21和SCD21，但其價格($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試配置(

圖12

)準(zhǔn)確測量SDD21和SCD21，該配置包括1臺正弦信號發(fā)生器、2個平衡-不平衡變壓器(balun)和2個功率計(或一個雙路輸入功率計)。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，將費用保持在$10k以下。

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

圖12. 該測試配置采用低成本信號發(fā)生器、耦合器和功率計

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

采用高質(zhì)量的SMA電纜，以及在標(biāo)注的地方采用匹配長度的線對。可從泰克(Tektronix?)和安捷倫(Agilent?)購買SMA-DVI/HDMI測試電路板。測試關(guān)心的頻率范圍內(nèi)的(SCD21[dB] - SDD21[dB])，并相對于合格/不合格測試圖繪制其曲線。

結(jié)論

如果電纜僅僅存在很小抖動，或者不存在抖動或差模-共模轉(zhuǎn)換，可以采用廉價器件從長電纜中恢復(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)測的相位延遲和損耗，很容易補償。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)的階躍激勵法測量線對內(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)濟的測試方法是：直接測量關(guān)鍵參數(shù)，即測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