USB 3.0線纜和連接器的阻抗和插損測試

　　下一代串行數據標準采用的高速率已經進入到微波領域。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性引起的失真。為了將失真程度保持在一個可控的水平，標準規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S11表征而且必須歸一化到線纜的90歐姆差分阻抗。

　　當測量USB 3.0通道的S參數時，可選的儀器是時域反射計或TDR。TDR系統通常往待測器件注入一個階躍電壓信號然后測量是時間函數的反射電壓。差分測量通過產生極性相反可相對定時的階躍電壓對實現。這篇文章中談到的都是差分信號。

　　反射電壓與發射器和待測器件之間的阻抗失配成比例，關系如下式：

　　Z0 是源阻抗，ZL(t)是待測器件的阻抗，r(t)是反射系數，Vr(t)/Vi(t)是入射和發射電壓的比率。式(1)假設到待測器件的源，線纜和連接器都是匹配的，但事實上這種情況很少見。為了補償線纜和連接器的不理想，參考平面校正(基線校正)通常進行開路，短路，負載校準。調整式 (1)可以得到待測器件的阻抗和時間(或距離)的函數，所以可以使用校準過的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阻抗變化是時間的函數。注意軌跡兩頭的阻抗變化，那是由于連接器引起的，當使用上升時間100ps (階躍信號)測試時連接器的阻抗規定是90+/- 7歐。TDR的上升時間非常重要，因為阻抗變化和TDR階躍信號的上升時間成反比，而規范規定的USB 3.0信號的上升時間是100 ps，測量中匹配這個上升時間將給出信號“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 時間 測量

　　回波損耗或S11 是頻域的測量和反射系數有關。歸一化(通過反射平面校準 基線校正)反射系數的傅里葉變換給出了回波損耗是頻率的函數。圖2給出了USB 3.0線纜和連接器測量的結果。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部的阻抗結構決定的。