S参数量测,如插入损耗、折返损耗及频域串音等,已逐渐成为高速数字标准中缆线组件兼容性测试程序的一部分。举例来说,目前Infiniband规格在1.25Ghz时,缆线差动插入损耗必须低于10dB;其他标准如PCI Xpress、Serial ATA II及XAUI也需要类似的量测。
传统上,S参数量测是由频域向量网络分析仪(Vector Network Analyzers;VNA)所完成。然而近年来,此种量测逐渐以时域反射及传输(Time Domain Reflectometry and Transmission;TDR/T)量测[1][2]为基础完成,并使用附属软件如TDA系统IConnect转换时域数据至频域中。TDR/T S参数量测技术有时指时域网络分析(Time Domain Network Analysis;TDNA)。相较于频域VNA,TDNA技术的优势在于大幅降低的成本,一组TDNA设备与软件费用约为相同频域性能VNA设备的二分之一。VNA设备以提供相当大的动态范围著名,相对于TDNA的50至60dB,VNA约为100至110dB。然而,如Infiniband或其他类似标准的兼容性测试量测,目前最大范围皆在20dB以内。特别是,Infiniband差动插入损耗如上所述只指出-10dB的量测为TDNA技术所能轻易达成。
VNA设备的附加精确度并非频域中所固有,而需透过如SOLT(短路-开路-负载-经由;Short-Open-Load-Thru)高阶校准达成。在量测参考平面上,校准程序需要高度精密、分析完善的标准。上述标准已可适用于同轴(SMA;3.5mm或其他精密接头)或芯片上(on-wafer)型式。然而,同轴接头无法与Infiniband或其他高速数字接头搭配,必须使用既定标准搭配适当接头的夹具(图一)。由于无法提供搭配接头接口的精密标准,原则上须对VNA的同轴(SMA)接头做校准,藉由减去特殊埋藏(de-embedding)结构量测,从整体量测中去埋藏(de-embed)夹具插入损耗。额外的量测增加了整体测试及校准的时间,VNA仪器将大幅延长兼容性测试的程序;研发实验室量测或许能接受较长的测试时间,制造测试现场却无法接受。
<数据源:1.4X Infiniband缆线组件:Meritec提供;FCI测试板:Tektronix提供。>
由于TDNA不需要大量的校准程序,并允许数据窗口化,TDNA提供了这方面令人注目的选择。在典型标准兼容性测试夹具上,使用插入损耗去埋藏(de-embedding)结构的简易经由(thru)参考与经由(thru)波形,便能进行良好的S参数兼容性量测。同时亦可使用开路(Open)波形参考,使用从夹具上拔下的缆线组件开路(open)。但在这种情况下经由(thru)参考较适合,因为它允许将整个搭配接头加入量测中。
以下可以用一些量测数据回答所产生的两个问题:
- (1)夹具在缆线组件量测上会有什么特殊影响?
- (2)在缆线组件上,TDNA是否提供足够的精确度以进行兼容性测试?
先以简单的例子来回答夹具问题。首先,先进行精密微波接头的差动式折返损耗量测;使用如(图二)中所示0.1%精密度的微波电阻器与半刚性(semi-rigid)同轴型夹具。
《图二 透过波形可以清楚地比较出不同互连选项的探棒负载,随着接头的尺寸变小(或将接头移除),负载也会跟着降低。此系统内原本的信号上升时间为150ps。 》 |
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理论上,此种电阻器的差动式折返损耗约为-60dB。但在VNA量测中无法轻易去埋藏(de-embed)夹具,因此将量测到电阻器与夹具组合的折返损耗。而在TDNA量测中,可在夹具末端撷取参考开路,即可从量测中去埋藏(de-embedding)夹具。(图三)表示两种量测间的比较。
《图三 在串联终端的系统中,分别于接收器和探针头所观察到的波形。》 |
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图中说明若为TDNA,则量测会约略限制在既定设定的TDNA系统动态范围中;若为VNA,则所量测到的为夹具而非电阻器。图中说明在1060Ghz的共振,相当于1.13cm夹具的半波长共振时,VNA量测实际上由夹具所控制。
此量测能明确说明若无去埋藏夹具,量测中夹具如何完整控制VNA量测。但缆线组件并非电阻器,因此,下文接着将转为研究适当的效应。在Infiniband缆线组件上进行VNA量测,结果如下图所示。
图片显示12.5公尺缆线组件的差动式插入损耗,及夹具上参考穿透(through)结构的差动式插入损耗。此缆线在-11.6dB规格上几乎不会失败,而减去-1.66dB夹具插入损耗将使缆线成为几乎不合格缆线。因此,藉由强制去埋藏(de-embedding)夹具,即可轻易区分合格与失败的夹具。
为验证TDNA量测是精确的,因此在相同参考平面上比较在仪器缆线末端以穿透(thru)参考完成的缆线测试组件TDNA量测,以及VNA SOLT校准量测。(图五)显示比较结果。显然关联性相当良好,因此能推断这里所显示TDNA技术精确度对Infiniband缆线组件兼容性测试而言更加足够。
此外,由于TDNA系统易于校准(参考开路或参考经由足够用于基本量测),利用电路板上参考穿透(thru)轨迹,便能轻易去埋藏(de-embed)夹具。此为非常快速且极为普遍的量测,结果如下图六所示。
TDNA系统能达成惊人高输出,可在1至2分钟进行TDNA缆线量测,而不需使用需15至30分钟校准及量测的VNA。须注意VNA也能透过二次校准或从组件及夹具量测中减去夹具量测,移除夹具效应。然而,这将增加更多测试程序时间,显然并无改变TDNA方法具备足够精确度与较佳输出之推论。
如(图七)所示
《图七 利用soft touch无接头式探棒来观察总线上的信号,由于探棒的负载比较小,而且可以直接将信号绕接到信号脚座上,因此与逻辑分析仪连接所造成的负载是可以接受的。》 |
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观察缆线组件的眼状图开口及眼状波罩测试颇为有趣。从量测中去埋藏夹具,并将眼状波罩置于开口中;缆线显示峰对峰抖动为31.7ps,且眼状图开口为368ps。
表一 TDNA与VNA技术的比较
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TDNA |
VNA |
动态范围 |
50dB,足够用于兼容性测试 |
100dB |
夹具去埋藏(de-embedding) |
容易 |
普通困难 |
容易使用 |
容易 |
容易使用 |
更加困难 |
输出 |
较高 |
较低 |
成本 |
低,约为差动式VNA系统的二分之一 |
(作者任职于Tektronix太克科技)
<参考数据:
[1] D.A. Smolyansky, Cost-Efficient Cable Assembly Compliance Testing and Modeling - DesignCon 2004, Santa Clara, CA
(作者任职于Tektronix太克科技)
[2] D.A. Smolyansky, Time Domain Network Analysis:Getting S-parameters from TDR/T Measurements - Infiniband PlugFest, 2004> |
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延 伸 阅 读如果说IT(Information Technology;信息技术)界要颁发最速黯淡奖,那么笔者可能会提名InfiniBand,理由是InfiniBand的规格及标准规范自1999年开始起草,2000年正式 发表,之后主力业者纷纷退出。
相关介绍请见「InfiniBand:还会有多少人想起我? |
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」一文。你可在「
InfiniBand 连接现在和未来
」一文中得到进一步的介绍。
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谈及iSCSI,相信在今日的IT界已是无人不知、无人不晓,但各位可曾知道iSCSI也有一段酝酿沈潜的乏问期?事实上,早在2001年6月IBM就发表了IP Storage 200i的iSCSI存储设备,同时Cisco也呼应推出SN5420的iSCSI路由器(用于异地备援),但市场及用户反应却极有限。在「
10GbE/GbE助力iSCSI挑战FC与InfiniBand」一文为你做了相关的评析。 |
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