SCD21-SDD21

摘要：本应用笔记介绍了一种新的测试方法，用来预测不平衡(不对称)双绞线在串行电缆上造成的抖动。文中阐述了对于作为质量评估的线对内偏差的一些误解和线对内偏差与抖动之间关系的错误理解。本文澄清了一个关键问题，即：电缆不平衡造成的差模电压与共模电压之间的相互转换，不同模式的电压具有不同的传输速率和损耗特性。本文介绍了一种廉价电缆传输数据时，不同模式电压的转换，合格/失效的判断准则与数据抖动有关。

类似文章还发表在Maxim工程期刊，第64期(PDF，2.5MB)。

概述

1Gbps以上的串行数字视频信号传输(如DVI™、HDMI™和DisplayPort™视频接口标准要求)大大提高了对连接PC和HDTV显示器电缆的性能要求。所以，传统的模拟音频/视频电缆供应商现在也必须与电信串行数字差分电缆制造商一样，了解关于2.5Gbps InfiniBand™和PCI Express®、3.125Gbps CX4以及4.25Gbps Fibre Channel的知识。

本文着重介绍由于视频信号的差模和共模分量的变换所引起的数据抖动现象。本文还揭示了线对间信号偏移的神秘面纱，并建议通过测试电缆来预测抖动。本文证明实际应用中并不一定要求使用昂贵的具有良好性能的差分电缆，只需实现良好的平衡性即可。

DVI/HDMI系统在0.25Gbps至3.40Gbps范围内所要求的常见数字视频传输差分电缆为100Ω屏蔽双绞线(STP)，也可以使用100Ω的同轴电缆(twinax)，这也是数据通信中比较常见的电缆。

保持平衡

DVI、HDMI和DisplayPort系统都包括四对差分互连线路，以便进行数字视频传输。如能满足两个前提，则利用廉价的接收器件即可恢复信号：1) 差分通路保持传输信号为差分模式，仅引入极少甚至根本不引入共模信号；2) 差分通路保持平衡，这意味着两根线对信号须保持对称。

电缆将信号能量保持在差分模式时，在整个频谱范围内会产生可预测的相位延迟及趋肤效应损耗。这两种效应很容易补偿。否则，信号将无法由常规的接收器恢复。当然，差分耦合电缆(STP或twinax)上差模与共模之间的转换会造成较大误差，无法预测相位延迟和信号损耗。

不一致造成的。例如，假设一对同轴电缆的长度不同(图1)。输入为差模信号，不存在共模电压。而输出信号将出现对应于传输延迟的线对偏差，除线对偏差外，还会产生共模能量，造成差模能量降低。

图1. 简单线对偏移将部分差模信号转换为共模(CM)能量

本例采用的激励为正弦波，而非数字不归零(NRZ)波形。图1所示同轴电缆的偏移延迟在整个频率范围内为常数。然而，STP或twinax电缆内数字NRZ波形的每个正弦(傅里叶)分量都会产生不同的偏移。

关于线对内偏差的误解

差模和共模之间的能量转换是一种常见的测量考虑因素，电缆制造商经常把线对内延迟偏差作为电缆质量保证(QA)的测试项目。然而，传统的测量线对内偏差的方法可能会得出一个错误结论，认为抖动是不可预测的。

误解1：线对内传输偏移相对于频率为固定值。

这种说法对于非差分耦合线对是正确的，例如同轴电缆，但是对于差分耦合电缆并非如此，例如STP和twinax。图2给出了28AWG twinax双绞线电缆的测试结果。线对内偏移实际上在不同频率下会发生极性变化。

图2. 28AWG twinax电缆线对内偏移与频率的对应关系

误解2：线对内传输斜移与电缆长度成正比。

这种说法在频率非常低时(波长相对于电缆长度而言)是正确的，但是对于差分耦合电缆(例如STP和twinax)，在高频时并非如此。图2所示为不同长度28AWG

twinax电缆线对内的传输偏移情况。注意，在在300MHz和1500MHz之间，10英尺长度时线对内偏移最严重。

误解3：线对内传输偏移可以通过阶跃激励测试进行预测。

这种测试方法向电缆的一端注入一个差分或单端电压阶跃信号，然后在电缆的另一端测量(+)和(-)信号沿之间的时间差(偏移)。不幸的是，电缆本身会对这些输出沿进行低通滤波，这种影响对于长电缆是动态变化的。该方法可检验低频线对偏移，但是关于对串行数字视频影响最大的高频线对偏移，却说明不了任何问题。

由此说明，对于STP和twinax电缆，线对内偏移是频率的函数。图3所示为DVI系统利用50m 22AWG STP电缆传输信号的测量结果。注意，对于WUXGA显示所

要求的1.64Gbps视频码率，阶跃激励法预测线对内偏移为300ps，大约为半个周期(0.5UI)。因此对于DVI/HEMI标准来说，该电缆的线对内偏移指标是不合格的。然而，接收器的均衡眼图看起来却很好，这是因为该电缆内的高频线对内偏移非常低，使其在 1.65Gbps下具有卓越的性能。阶跃激励法仅仅能够检查低频线对内偏移。所以，千万不要把这种电缆给扔掉！

图3. 阶跃激励法不能预测串行数据抖动

差分耦合线对

如图4所示，耦合电缆(STP、UTP、twinax)的差分特征阻抗包括线对中(+)和(-)线(Z1)以及每根线和地(Z2、Z3)之间的耦合。差分线对中的任何不平衡(其中Z2 ≠ Z3)，例如长度不对称或绞合及电介质环境的不对称，都会引起差模-共模之间的转换，其影响是可预测的，例如线对内传输偏移。

图4. 非耦合(同轴)和耦合(twinax、STP) 100Ω差分线对

耦合电缆中的另一种复杂情况是，差模和共模信号的传输速度不同，在长电缆内可产生几个ns的差异。当差模能量转换成共模能量，或相反时，所产生的相位是随机的。这种影响是造成差模抖动的原因之一。当信号在两种模式之间随意转换时，将无法预测电缆频率和相位响应。

由于趋肤效应，差模和共模信号还具有不同的损耗率(单位为dB/m)。这种效应并非全是坏事，因为可充分利用其优势：若电缆的共模损耗明显高于其差模损耗，其线对内传输偏移将较小。若电缆在输出端没有共模能量，则根本就不存在线对内传输偏移。一个极端的例子是，CAT5 UTP电缆内的高频共模能量将作为EMI耗散(因为它没有屏蔽层)，仅剩下差模能量。所以，不存在线对内传输偏移。

预测差模-共模转换抖动

简单的双向转换(差模至共模以及相反)模型很能说明问题，虽然这明显是一个连续过程的集中近似。模式转换是渐进的，并且可能是局部或多步进行的，这取决于相对于波长的电缆长度(图5)。

图5. 电缆长度范围内的模式转换

注意，共模信号本身并不会造成差模信号的定时抖动，而是其模式转换在差模信号中引入了不一致的信号，从而破坏了信号的完整性。所以，通过测量共模能量(给一个差分激励)，可获得模式转换的证据，从中即可评估差模抖动。

通过测量电缆质量即可预测其传输数字视频信号的质量。例如，它应能预测数据中的过零抖动，这是由于在接收器内趋肤效应和介电损耗理想平衡之后的电缆不平衡造成的残余抖动。采用阶跃激励法测量线对内传输偏移不适合用于预测抖动。

因此，我们建议通过测量差模-共模转换作为预测电缆不平衡造成的数据抖动特性的更好方法。理想情况下，在电缆输出端仅存在差模能量，而没有共模能量。如果出现了共模能量，则说明电缆存在某种不平衡，已经将部分差模能量转换为了共模能量。

作为一种探索性的论据，我们可在电缆输入端采用一种具有正弦差模源的简单模型。

1.假设电缆中的部分正弦波能量从差模转换为了共模，并且对称地，相同部分的能量被转换为差模。采用S参数命名转换，两个转换系数分别为SCD21

和SDC21 (注意输出端编号在前)：

o SCD21为端口1至端口2的差模-共模转换

o SDC21为端口1至端口2的共模-差模转换

o在实际电缆中，SCD21 (幅值) = SDC21 (幅值)很接近

o SDD21为端口1至端口2的差模传输

2.假设造成全部转换(从差模至共模以及相反)的能量具有任意相位。这是差模和共模信号的传输速度不同造成的，这在STP和twinax电缆中很常见。并

且假设电缆长度足以使延迟差大约正弦波周期。