USB 3.0線纜和連接器的阻抗和插損測試

下一代串行數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)采用的高速率已經(jīng)進(jìn)入到微波領(lǐng)域。比如，即將到來的SuperSpeed USB(USB 3.0)通過雙絞線對線纜傳輸速的率就達(dá)到了5Gb/s。通過連接器和線纜傳輸如此高的速率必須考慮通道的不連續(xù)性引起的失真。為了將失真程度保持在一個(gè)可控的水平，標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了線纜和連接器對的阻抗和回波損耗。最新的測量使用S參數(shù)S11表征而且必須歸一化到線纜的90歐姆差分阻抗。

當(dāng)測量USB 3.0通道的S參數(shù)時(shí)，可選的儀器是時(shí)域反射計(jì)或TDR。TDR系統(tǒng)通常往待測器件注入一個(gè)階躍電壓信號然后測量是時(shí)間函數(shù)的反射電壓。差分測量通過產(chǎn)生極性相反可相對定時(shí)的階躍電壓對實(shí)現(xiàn)。這篇文章中談到的都是差分信號。

反射電壓與發(fā)射器和待測器件之間的阻抗失配成比例，關(guān)系如下式：



Z0 是源阻抗，ZL(t)是待測器件的阻抗，r(t)是反射系數(shù)，Vr(t)/Vi(t)是入射和發(fā)射電壓的比率。式(1)假設(shè)到待測器件的源，線纜和連接器都是匹配的，但事實(shí)上這種情況很少見。為了補(bǔ)償線纜和連接器的不理想，參考平面校正（基線校正）通常進(jìn)行開路，短路，負(fù)載校準(zhǔn)。調(diào)整式 (1)可以得到待測器件的阻抗和時(shí)間（或距離）的函數(shù)，所以可以使用校準(zhǔn)過的TDR做阻抗測量。

圖1展示了USB 3.0 帶有連接器線纜的的阻抗曲線。曲線表明了隨著TDR 階躍信號在線纜中的行進(jìn)阻抗變化是時(shí)間的函數(shù)。注意軌跡兩頭的阻抗變化，那是由于連接器引起的，當(dāng)使用上升時(shí)間100ps （階躍信號）測試時(shí)連接器的阻抗規(guī)定是90+/- 7歐。TDR的上升時(shí)間非常重要，因?yàn)樽杩棺兓蚑DR階躍信號的上升時(shí)間成反比，而規(guī)范規(guī)定的USB 3.0信號的上升時(shí)間是100 ps，測量中匹配這個(gè)上升時(shí)間將給出信號“看到的”阻抗。

Figure 1: Differential impedance vs. time measurement for USB3.0 cable and mated connectors
圖1：USB 3.0帶有連接器線纜的 差分阻抗 vs 時(shí)間 測量

回波損耗或S11 是頻域的測量和反射系數(shù)有關(guān)。歸一化（通過反射平面校準(zhǔn) 基線校正）反射系數(shù)的傅里葉變換給出了回波損耗是頻率的函數(shù)。圖2給出了USB 3.0線纜和連接器測量的結(jié)果。圖中的橫軸表示2GHz/div，范圍是0~20GHz，縱軸表示10dB/div。回波損耗在2GHz大約是15dB,但隨著頻率的增加開始變得越來越小。精細(xì)的空值間隔是由線纜末端的連接器引起的，較大的空值間隔是由于連接器內(nèi)部的阻抗結(jié)構(gòu)決定的。

Figure 2: Differential return loss for USB3.0 cable with mated connectors
圖2： USB 3.0 帶有連接器線纜的差分回波損耗

回波損耗可以參考圖1中線纜和連接器阻抗是90歐而TDR系統(tǒng)差分阻抗是100歐，由于USB 3.0發(fā)射機(jī)阻抗是90歐，這個(gè)不匹配人為地減少了回波損耗。為了正確的表達(dá)回波損耗，將阻抗轉(zhuǎn)化為測試到的S11 是非常必要的，轉(zhuǎn)換關(guān)系由下式給出。

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轉(zhuǎn)化可以分為兩步。首先，用特征阻抗是100歐姆的測試系統(tǒng)得出的復(fù)數(shù)S參數(shù)計(jì)算出復(fù)數(shù)的負(fù)載阻抗。其次，用新的90歐姆參考阻抗計(jì)算出負(fù)載阻抗的S參數(shù)。回波損耗是頻率的函數(shù)，所以可以計(jì)算出每個(gè)頻點(diǎn)的S參數(shù)。

舉個(gè)例子，用100歐姆阻抗表征的復(fù)合回波損耗S11 = 0.53 - 0.12J 轉(zhuǎn)換到90歐姆的如下：



式2 用來將圖2中測到的插損 轉(zhuǎn)換到90歐姆差分阻抗。圖3中的兩個(gè)曲線給出了100歐姆和90歐姆特征阻抗的的回波損耗。


Figure 3: Return loss measured with 100 ohm reference (dotted line) and 90 ohm (solid line) reference
圖3：100 歐姆（虛線）和90歐姆參考（實(shí)線）的回波損耗

USB 3.0 線纜和連接器的差分阻抗可以使用校正的TDR系統(tǒng)測量插損而得出。通過對連接到待測器件的參考平面（基線校正）運(yùn)行開路，短路，負(fù)載進(jìn)行校正。通過簡單的轉(zhuǎn)換測試系統(tǒng)和待測器件之間的不同阻抗進(jìn)行插損補(bǔ)償。

References
參考：

[1] “Time Domain Spectrum Analyzer and "S" Parameter Vector Network Analyzer”, James R. Andrews, Picosecond Pulse Labs application note AN-16a, November 2004

[2] “converting s-parameters from 50-ohm to 75-ohm Impedance”, Dallas Semiconductor/Maxxim application note November 21, 2003