高頻傳輸線訊號分析基礎

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何為傳輸線？

傳輸線理論來源：在信號完整性和電源完整性，工程師必須理解傳輸線理論基礎，這里給出簡單的傳輸線理論.

如果傳輸線上傳輸的信號是低頻信號，假設是1KHz，那么信號的波長就是300公里(假設信號速度為光速)，即使傳輸線的長度有1米長，相對于信號來說還是很短的，對信號來說傳輸線可以看成短路，傳輸線對信號的影響是很小的。但是對于高速信號來說，假設信號頻率提高300MHz，信號波長就減小到1米，這時候1米的傳輸線和信號的波長已經完全可以比較，在傳輸線上就會存在波動效應，在傳輸線上的不同點上的電壓電流就會不同。在這種情況下，我們就不能忽略傳輸線對信號造成的影響。傳輸線相對信號來說就是一段長線，我們要用長線傳輸里的理論來解決問題，特別是高頻時 傳輸線理論不可忽視.

常見的電氣參數基礎介紹

電線電纜產品應用于全球消費電子、高清數字、微波通訊、通訊基站、IT設備、太陽能光伏、公路車輛、家電、工控和能源等領域。尤其是隨著大數據時代的到來，信息交互量越來越大，作為安防通信、網絡通信及相關信號傳輸用途的電線電纜在國內乃至全球都有巨大的應用市場，高頻參數將影響其眾多的使用領域和效果.

01

衰減---Attenuation 單位 –dB

高頻電子訊號在傳動時由于基本材料電阻，產生訊號強度(電壓)降低以外，尚有因高頻引發的Impedance，導致電子訊號強度再被降低,基本電阻的衰減取決于導體材質可稱直流衰減,電容電感的衰減取決于頻率高低可稱交流衰減，且頻率越高此衰減越嚴重；如果ATT數值越趨近于0時，表示訊號損耗的情況越少。反之，ATT數值越負(越小)時，表示訊號損耗的情況越嚴重.

常見的衰減參數的測試圖，Pass表示符合測試要求，NG表示測試數據異常

衰減/插入損失（α，Attenuation/Insertion Loss）

指輸出端功率（Pout）比入射端功率（Pint）降低了多少，以dB（分貝）來表示，也可以是指輸出電壓（Vout）與入射電壓（Vin）相比訊號損耗剩下多少，一般是用NA（網路分析儀）來量測，可由儀器直接量得，其公式如下：

單位長度傳輸線的總衰減是中心導體的損失（αc）和介電材質損失（αd）之和。

αc＝11.39*f1/2/Z0*(d+D) dB/m（f:GHz d,D:cm）

或αc＝4.34*f1/2/Z0*(d+D)dB/100ft（f:MHz d,D:inch）

αD＝90.96*f*Σr1/2*tan(δ) dB/m

或αD＝2.78*f*Σr1/2*tan(δ) dB/100ft δ為散逸系數

如果ATT數值越趨近于0時，表示訊號損耗的情況越少。反之，ATT數值越負（越?。r，表示訊號損耗的情況越嚴重。

衰減常數（參照電線電纜手冊一的數據說明）

表示電磁波在均勻電纜上每公裡的衰減值，它由兩部分組成，

由于金屬導體中的損耗而產生的衰減；

由于介質中損耗產生的衰減。

αn={[RLGL-ω-2LLCL+(RL+ω2LL2)(GL2+ωL -2C2)1/2]/2} 1/2

在低損耗近似中，上式可近似為：

αn=(RL/Z0+GL*Z0)/2

從兩個電壓比值奈培數到同一比值的dB數之間存在一個簡單的轉換關係，如果兩個電壓的比值奈培數為rn，同樣電壓比值的dB數為rdB，由于它們等于相同的電壓比，所以可以得到：

10rdB/20=ern

rdB=rn*20loge=8.68*rn

所以傳輸線單位長度的衰減dB/長度為：

αdB=8.68αn=4.34(RL/Z0+GL*Z0)

注：αn表示衰減，為奈培/長度

αdB表示衰減，為dB/長度

RL表示導線單位長度串聯電阻

CL表示單位長度電容

LL表示單位長度串聯回路電感

GL表示由介質引起的單位長度并聯電導

理論上，這雖是頻域中的衰減，但衰減卻與頻率沒有內在聯系，然而事實上，在現實世界中，對于非常好的傳輸，由于趨膚效應的影響，單位長度串聯電阻隨著頻率的平方根增加；由于介質損耗因數的影響，單位長度并聯電導隨著頻率而增加，這意味著衰減也會隨著頻率的升高而增加，高頻率正弦波的衰減要大于低頻率的衰減。

單位元長度損耗由兩部分組成，一部分是由導線損耗引起的衰減：αcond=4.34(RL/Z0),另一部分衰減與介質材料損耗有關：αdiel=4.34(GL*Z0)，總衰減為：αdB=αcond＋αdiel

隨著頻率的升高，介質引起衰減的增加速度要比導線引起衰減的增加速度快，那么會存在某一頻率，使得在這一頻率之上時介質引起的衰減處于主導地位.

傳輸線上的信號損耗：

綜合以上信號損耗主要包括以下幾種：

阻性損耗、介質損耗：信號以電磁波的形式在傳輸線中傳輸，在介質中產生極化。介質中的帶電粒子沿著電場方向規則排列，電荷的規則移動消耗了能量。

相鄰耦合損耗：串擾的影響，信號的能量一部分耦合到響鈴的線上去，從而衰減了自身的能量。

反射損耗和輻射損耗等：反射的信號在傳輸線上來回傳輸，最終對信號的總能量構成損耗；高頻信號以電磁波的形式輻射出PCB

在分析傳輸線損耗時，還應注意：趨膚效應；鄰近效應 ；表面粗糙度；復介電常數 ；介質損耗 ；隨頻率變化的阻抗特性和時延特性等，特別自身的損耗是高頻損耗的主要部分：主要是由導線自身的電阻所引起的損耗，在交流信號下，導線的阻抗會隨著頻率的變化而變化；走線的表面都會有一定的粗糙度，當信號的波長與走線層表明的粗糙度相近時會加劇阻性損耗，而且由于趨膚效應的影響，高頻電流會集中在導體的表面，這會進一步加劇導體的阻抗損耗，下面我們將分析這些損耗如何體現在傳輸線上面.

線纜的低衰減可歸于下列因素：

a.很大的中心導體直徑(d)或絕緣介電材質的直徑。

介電材質能防止高頻能量經由電阻成份散逸而保存的能力.

介電材質散逸系數越低, 代表其傳遞高頻能量之能力越高。

b.中心導體直徑或覆被低阻值。

c.低介電係數。

d.低的集膚效應深度。

舉一個生活中的例子，如圖為熱水傳輸管道

問題1：供熱水公司輸出熱水假設100°C，但實際接收單位肯定會有差異，在這個熱水傳輸過程中有發生明顯損耗.

問題2：一杯熱水100°C，放置一個小時以后，可能就變成常溫的水，在這個放置過程中，水溫發生明顯損耗.

影響到熱水傳輸損耗的原因分析：

1.傳輸管道的壁厚（會影響保溫的時間）

2.傳輸管道的內壁光潔度（會阻礙傳輸的速度）

3.傳輸管道的材質（會影響保溫的時間）

4.傳輸水的速度 （速度直接影響水溫損耗的速度）

5.傳輸的距離（距離直接影響水溫損耗的速度）

6.外部環境的影響（會影響保溫的時間）

影響到線纜傳輸損耗的原因分析：

傳輸管道的壁厚（對比為芯線的皮厚）

傳輸管道的內壁光潔度（對比為線材附著力不穩定及芯線外觀不良粗糙）

傳輸管道的材質（芯線的絕緣材質）

傳輸水的速度（導體的大?。?/p>

傳輸的距離（測試線材的長短）

外部環境的影響（測試的環境及線材的屏蔽效果(遮蔽率)）

線纜設計中關鍵點﹕

阻抗，絕緣外徑，導體外徑，屏蔽狀況

阻抗大；衰減小﹔

絕緣線徑大；阻抗大；衰減小﹔

導體直徑大；衰減小﹔

發泡度大；介電常數??；衰減小﹔

編織密度增加；衰減小﹔

編織+鋁箔結構；衰減小﹔

鋁箔厚度增加；衰減小﹔

線纜生產過程中控制關鍵點﹕

芯線的皮厚偏??；衰減增大

附著力不穩定及芯線外觀不良粗糙；衰減增大

芯線的絕緣材質；介電常數小，衰減小

導體偏??；衰減大

測試線材的長短；線長衰減大測試的環境及線材的屏蔽效果(遮蔽率)；環境差；衰減大.

不同線種的應用設計理論重點也不同，以下做簡要數據羅列說明

電線主要分為兩種，一種為同軸系列，一種為對絞系列

同軸線主要影響衰減的因素﹕阻抗﹑絕緣線徑﹑導體直徑﹑編織錠子數﹑每錠根數。

1) 阻抗增大；衰減減小﹔

2) 絕緣線徑增大；阻抗增大；衰減減小﹔

3) 導體直徑增大；衰減減小﹔

4) 發泡度增加；介電常數減??；衰減減小﹔

5) 外導體變化（編織）的影響

a) 編織密度增加；衰減減小﹔

b) 編織+鋁箔結構；衰減減小﹔

c) 鋁箔厚度增加；衰減減小﹔

雙絞線主要影響衰減的因素﹕導體﹑絕緣介質﹑絕緣線徑﹑對絞節距﹑對屏蔽松緊﹑對屏蔽厚度﹑成纜節距﹑總屏蔽﹑總屏蔽厚度﹑對內延時差。

目前雙絞線的種類非常多，網線最為普遍，其它如HDMI，USB,DP等都為此類別

1) 導體

導體線徑大；衰減小﹔

導體絞合節距增大；衰減減小

導體絞合質量差(起股﹑松散﹑不圓整等)；高頻衰減跳動。

2) 絕緣介質﹕發泡度增大；介電常數減??；衰減減小﹔

3) 絕緣線徑﹕絕緣線徑增大；阻抗增大；衰減減小﹔

4) 對絞節距﹕對絞節距增大；衰減減小﹔

5) 對屏蔽松緊

鋁箔繞包過緊；衰減增大﹔

鋁箔繞包緊；高頻衰減無跳動﹔

鋁箔繞包過緊；高頻衰減跳動﹔

鋁箔繞包松；高頻衰減有跳動。

鋁箔繞包不平整；高頻衰減跳動.

衰減參數小結：以上所寫部分主要為理論知識，在實際制程中很少會根據這些公式來計算，在實際制中影響衰減的主要因素是阻抗，所以控制阻抗穩定是非常重要一個環節，這就要求在做導體時注意OD穩定、外觀美觀、無刮傷、凸起等會影響到阻抗的不良因素，對于芯線要求OD穩定、同心度高、表面光滑美觀，絞線時要求絞距穩定、收/放線張力平衡，對于外被要求押出時不能過緊過松。所以只有做好線的每一個工段，才能保證阻抗變化不大，才能保證衰減較好；在衰減計算參數的應用里面一般有兩個系數比較重要，如下附表

02

眼圖—Eye Diagram

眼圖的基礎知識，眼圖大家都看過不少，現在不管是HDMI線，還是USB線，客戶都喜歡看看眼圖測試圖像，其實這也說明，大家的品味高啦，從之前的完全不懂高頻，知道啦些最基本的判斷，其實眼圖的數字波形和普通的不一樣，并不是長長的一段波形，而是把很長的一段波形，折疊成一個Bit的周期（unit interval）里面；隨著傳輸資料的數位化與高速化，硬體設計技術直接影響傳輸品質的好壞，并且高密度電路板布線模式已成為數位產品的設計基淮，信號完整性將是產品兼容性測試所關注的交點，因而眼狀圖測試越發的重要.

眼圖實際的構成圖形（JIAN的ATE學習筆記里面看到的圖形）

這樣做的好處，是可以更明顯地觀察到波形的差異。

如果我們簡單波形的話，下面這兩個圖并沒有特別明顯的差異：

模型1的波形（JIAN分享的圖形）

模型2的波形（JIAN分享的圖形）

但看眼圖的話，差異就能看出來了：

模型1的眼圖（JIAN分享的圖形）

模型2的眼圖（JIAN分享的圖形）

眼圖（Eye Diagram） :訊號產生器（Patent Generator）可編輯一連續串的數碼節亂數編碼，輸入待測物來分析待測物在這些連續編碼的高頻效應傳輸效應下，因為高頻效應的Skew/Rise Time/Impedance與Cross Talk，用TDR觀察交叉衍生的接收端訊號質量，TDR所呈現出來的結果圖像稱為眼圖

在實際數字互連系統中，完全消除碼間串擾是十分困難的，而碼間串擾對誤碼率的影響目前尚無法找到數學上便于處理的統計規律，還不能進行準確計算。為了衡量基帶傳輸系統的性能優劣，在實驗室中，通常用示波器觀察接收信號波形的方法來分析碼間串擾和噪聲對系統性能的影響，這就是眼圖分析法。如果將輸入波形輸入示波器的Y軸，并且當示波器的水平掃描周期和碼元定時同步時，適當調整相位，使波形的中心對準取樣時刻，在示波器上顯示的圖形很象人的眼睛，因此被稱為眼圖（Eye Map）.

眼圖是如何產生

二進制信號傳輸時的眼圖只有一只“眼睛”，當傳輸三元碼時，會顯示兩只“眼睛”。眼圖是由各段碼元波形疊加而成的，眼圖中央的垂直線表示最佳抽樣時刻，位于兩峰值中間的水平線是判決門限電平

在無碼間串擾和噪聲的理想情況下，波形無失真，每個碼元將重疊在一起，最終在示波器上看到的是跡線又細又清晰的“眼睛”“眼”開啟得最大。當有碼間串擾時，波形失真，碼元不完全重合，眼圖的跡線就會不清晰，引起“眼”部分閉合。若再加上噪聲的影響，則使眼圖的線條變得模糊“眼”開啟得小了，因此“眼”張開的大小表示了失真的程度，反映了碼間串擾的強弱。由此可知，眼圖能直觀地表明碼間串擾和噪聲的影響，可評價一個基帶傳輸系統性能的優劣。另外也可以用此圖形對接收濾波器的特性加以調整，以減小碼間串擾和改善系統的傳輸性能.

描述眼圖的好壞，有以下這些參數：由于噪聲瞬時電平的影響無法在眼圖中得到完整的反映，因此，即使在示波器上顯示的眼圖是張開的，也不能完全保證判決全部準確。不過，原則上總是眼睛張開得越大，實際判決越準確。所以，還是可以通過眼圖的張開度來衡量和比較基帶信號的質量，并以此為依據來調整信號在信道中的傳輸特性，使信號在通信系統信道中傳輸盡最大可能接近于最佳工作狀態.

無失真及有失真時的波形及眼圖

無碼間串擾時波形；無碼間串擾眼圖

有碼間串擾時波形；有碼間串擾眼圖

眼圖重要性

因為訊號的頻率很高時,如果傳輸路徑(PCB,cable,connector…等)的質量不夠好,會造成訊號完整性被破壞,訊號的波形就會不好,這時要測試評估傳輸路徑的質量夠不夠好,就要測眼圖。

眼圖的原理是用數百萬個訊號打進待測物,再用示波器來接收,并將每個量到的訊號重復迭在一起就成了眼圖.,當訊號很完整時,眼圖的眼睛會張很開,代表待測物的質量很好,但當訊號通過質量不好的待測物時,訊號完整性被破壞,則所得的眼圖會是比較閉起的,或根本看不到眼睛.

眼圖最終注重的是線材的結構穩定性，RL測試及阻抗值的量測最為重要

03

串音（Xtalk，Cross talk）

串音主要分為近端串音和遠端串音兩大類;它們的峰值定義為,近端串音係數NEXT和遠程串音係數FEXT;其中Vin為動態線中信號電壓;Vnear和Vfar為靜態線上近端和遠端測得的串音電壓.

計算公式如下(串音—Cross Talk 單位—dB)

一對訊號線傳輸時的高頻電容電感效應與 Impedance匹配效應，產生對相鄰訊號線造成的干擾現象。

NEXT(Near End Cross Talk)---近端串音，發生在傳輸源一端的串音現象

FEXT(Far End Cross Talk)---遠端串音，發生在接收一端的串音現象

dB=20 Log(V1/V0)

V1-相鄰訊號線檢出電壓

V0-原訊號源輸出電壓

兩線路之間互相干擾的電磁雜訊，一般會隨著頻率之昇高而增加。

其量測可以NA或TDR來量測，其計算公式如下：

如果Xtalk數值越趨近于0 dB(or近100%)時，表示雜訊干擾的情況越嚴重，反之，Xtalk dB數值越大(or近0%)時，表示雜訊干擾的情況越少

實際量測中的串音測試圖形

SSN（同步開關噪音）

開關噪音由差分對間的感性耦合引起,當傳輸線上電流變化時,會在鄰近的傳輸線上耦合出感 應電壓,并激起感應電流,對鄰近傳輸線上的信號產生干擾.

解決方式：

由于差分信號的特性,可以激勵差分對進入奇模模態,在此模態下, 差分對本身對耦合噪音有很好的抑制作用.另外可以通過對線包鋁箔屏蔽來減弱對其他鄰近差分對的干擾.

在高頻通信中,我們更關心的是串音干擾而不是SSN；串音干擾是相鄰傳輸線對內或對間由于寄生電感,電容耦合產生的噪音；對傳輸線上的信號影響很大；必須加以控制；否則會引起信號波形的嚴重失真,導致接收端誤判斷.

串音產生原理

串音干擾可以從電容電感耦合角度去理解,也可以從差分信號和共模信號分量角度去理解.

耦合角度描述：

當動態線上有信號通過時,在信號的上升延區域(即電壓電流變化的區域).由于線對間的互感和互容的耦合作用，在靜態線上將感應出電流,由于噪音電流在靜態線上每個方向上感受到的阻抗都相同,所以前向和后向的電流量將相等. 其中一半向后流回到近端,產生近端串音;另一半向前流動到遠程,產生遠程串音.

舉例分析串音產生的機理和改善方式

管道裡的水向前流,過程中由于管道孔徑或管道有凸起物等諸多因素讓水流的速度發生有不穩定的現象,但是當到達終點接收端后,有個穩定的接收后,其輸入的水流將達到一個穩定狀態,但是在過程中仍有由于遇到障礙而往后流的水流向供水端,這段額外的阻止時間為延時TD,近端串音就是水流從不穩定額外的阻止時間并持續2*TD的時間，如下圖解說：

當兩條傳輸線靠近時，互容和互感將增加，從而使NEXT增加）近端串音：

當信號前沿傳輸了一個飽和長度后,近端的電流將達到一個穩定值；而當動態線上的信號到達遠端端接電阻后；就不再有耦合噪音電流,但是靜態線上還有后向電流流向靜態線的近端,這段額外時間等于時延TD.；近端串音就是耦合電流上升到一個恒定值并持續2*TD,然后下降到0,其中上升時間等于信號的上升時間，如下圖解說

遠程串音：耦合到靜態線上前向傳播的噪音,移動速度與動態線上的信號前沿向遠端傳播的速度相同.在靜態線上的每一步,一半噪音電流會迭加在已經存在的沿線噪音上.直到信號前沿到達遠端,才有電流出現.即信號達到遠端時,遠端噪音同時到達.因此遠端噪音電流為一個很短的負向脈衝,持續時間等于信號的上升時間TD.近端和遠端串音的特徵,決定了遠端串音將在高頻率段產生很大威脅,而近端串音則在中頻率段影響較大.

從差分信號分量和共模信號分量角度描述:

近端串音：

差分信號分量和共模信號分量在差分對上所感受到的阻抗不同,這 一阻抗上的差異將導致,靜態線產生近端串音.若阻抗上的這一差異越大則NEXT將越大.

遠程串音：

由于共模信號分量和差分信號分量電力線分佈不同,所感受到的有效介電係數不同,導致它們的傳播速度不同.差分信號分量將先到達遠端,而共模信號分量稍晚點到達遠端.它們的差值將導致遠程串音,若這一速度差異越大將導致遠端串音能量越大,FEXT越大

減小串音的方法；保證線材的均勻性和對稱性,使電容均勻穩定是控制串音的基礎.減小串音最根本最經濟的途徑是增加鄰近線對間的距離,使它們儘量脫離耦合作用范圍.但是實際制程上,這一方式受到線材結構,加工和客戶要求的限制；在實際制程允許的情況下,儘量加大鄰近線間的距離（如：CAT6的十字隔,排線等結構）.

設計絞距差

當多對線同時開關時,對同一根靜態線的串音噪音將會疊加,幅度加大,很可能超出噪音容限.因此,設計不同的絞距（CAT5-6都有使用）,使不同線產生的噪音錯位,可以削弱串音的疊加. 但此方法在高頻段作用不大,反而會影響線間的延時差.因此,此方式適合中低頻,而不適合高頻段.

增加屏蔽

屏蔽原理：通過將屏蔽導體中產生感應電流（渦流）接地,吸收串音

能量.沒有被吸收的能量將在屏蔽導體和信號線間來回反射最終吸收.

屏蔽效果：

a.鋁箔屏蔽：效果受重疊率的影響,通常需要達到25%以上.鋁箔包的松與緊對屏蔽影響也很大.

松：易彎曲變形,產生空隙,導致電磁洩露,產生干擾;并使轉移阻抗突變,引起反射和衰減問題;還會使差分信號分量和共模信號分量的傳播速度差異加大,導致遠端串音增加.

緊：容易拉斷鋁箔,影響生產;太緊會壓傷發泡絕緣.引起電容突變.

b.編織屏蔽：外層編織屏蔽效果受到遮蔽率影響,越高越好,但成本也會增.

設計制程關鍵點﹕

1.絕緣芯線﹑對絞芯線的對稱性

2.對絞節距的大小﹑對絞節距的配合

3. 絕緣芯線的偏心﹑橢圓﹑線徑不均勻

4.對絞芯線的對稱性，2根芯線的放線張力不均及節距不均勻﹔

5. 對絞節距的大小﹕節距減??；串音增大﹔節距增大；串音減小。

6. 對絞節距的配合

串音的秘密

串音干擾由于相鄰線間的耦合產生.耦合度越高,串音干擾越大;頻率越高,串音干擾越大;電容穩定性越差,串音越嚴重;此外,低特性阻抗有利于低串音,絕緣材料介電係數越小,串音越低.只有對理論,制程、加工、成本、規范客戶要求整體把握,才能做好線材開發.對于開發工程師而言,需要熟悉制程中的每個細節,不能只局限于理論.

04

阻抗（Impedance）

將傳輸線始端的輸入阻抗簡稱為阻抗;將信號隨時遇到的及時阻抗稱為瞬時阻抗

如果傳輸線具有恒定不變的瞬時阻抗，就稱之為傳輸線的特性阻抗;和電阻，電容，電感一樣，傳輸線也是一種理想的電路元件，但是其特性卻大不相同，用于仿真效果較好，但電路概念卻比較復雜;依傳輸的訊號型式不同，量測出的阻抗可分為以下三種：

一.單端阻抗 Zse (Single Ended)

二.差動阻抗 Zdiff (Differential Mode)

三.同模阻抗 Zcom (Common Mode)

1.Single end(單端式):

優點：簡單的信號處理、線材低成本(COAXIAL除外，成本較高)

缺點：工作電壓較高、高頻易干擾(COAXIAL除外，最不受干擾)

2.Common mode(共/同模)：

基本上同模傳輸是用以模擬雜訊或做為量測線材平衡特性的用途，

并不用在一般的信號傳輸

3.Differential mode(差分/差動)：

優點：低電壓、有抵消同模雜訊的功能 (高頻性能/價格比，最優)

缺點：信號處理成本較高

一般而言儀器的端口是以單端50Ω的阻抗最為常見。如欲以NA量測“差分訊號”時，需經由Bulan轉換將NA的“單端訊號”轉換成差分訊號。TDR的“單端訊號”轉成“差分訊號”或“同模訊號”時，只需設定儀器端口即可。

什么是特征阻抗?

特征阻抗是對于交流信號(或者說高頻信號)來說的.

特征阻抗就屬于長線傳輸中的一個概念。信號在傳輸線中傳輸的過程中，在信號到達的一個點，傳輸線和參考平面之間會形成電場，由于電場的存在，會產生一個瞬間的小電流，這個小電流在傳輸線中的每一點都存在。同時信號也存在一定的電壓，這樣在信號傳輸過程中，傳輸線的每一點就會等效成一個電阻，這個電阻就是我們提到的傳輸線的特征阻抗.。

信號在傳輸的過程中，如果傳輸路徑上的特性阻抗發生變化，信號就會在阻抗不連續的結點產生反射;影響特性阻抗的因素有：介電常數、介質厚度、線寬、銅箔厚度；現實的線路不可能做到完成匹配，故訊號在線路中傳輸是一連串的穿透(吸收)及反射的結果,傳輸線對走線上信號的影響主要是：傳輸線的分布電容 、分布電感以及介質對傳輸的電磁波的影響等.

特性阻抗是由d, D,Σr 所決定b. 特性阻抗和長度無關,如果測試的頻率大于1MHz,特性阻抗與頻率幾乎無關.c. 僅減小d, 特性阻抗增加d. 僅減小D, 特性阻抗減小e. 僅減小Σr ,特性阻抗增加.d=中心導體的直徑(m) D=外部導體或覆被的內徑(m)Σr =絕緣材質的介電系數

同軸結構的線材影響阻抗的因素﹕介電常數﹔絕緣線徑﹔導體線徑。

1) 介電常數是材料本身固有的﹐不同的材料具有不同的介電常數。

可通過發泡度的大小來改變介電常數的大小﹐即發泡度增大—介電常數減小—阻抗增大﹔發泡度不均勻—介電常數不均勻—阻抗不均勻。

2) 絕緣線徑﹕絕緣線徑增大—阻抗增大﹔絕緣線徑不均勻—阻抗不均勻。

3) 導體線徑: 導體線徑增大—阻抗減小﹔導體線徑不均勻—阻抗不均勻。

設計改善:阻抗偏小,加大線徑或加大發泡度

工藝改善:水中電容調小,對絞時注意防止芯線變形,同軸編織時注意張力調節等.

對絞版本結構線材影響阻抗的因素﹕

?

介電常數﹔絕緣線徑﹔導體線徑﹔對絞節距﹔繞包松緊(對屏蔽)﹔成纜節距﹔成纜包帶松緊﹔編織的松緊﹔外被的松緊。

發泡度:發泡度增大—介電常數減小—阻抗增大﹔發泡度不均勻—介電常數不均勻—阻抗不均勻。

絕緣線徑﹕絕緣線徑增大—阻抗增大﹔絕緣線徑不均勻—阻抗不均勻。

導體線徑: 導體線徑減小—阻抗增大。

對絞節距﹕

a)非屏蔽線對﹕對絞節距減小—阻抗減小﹔

b)屏蔽線對﹕對絞節距增大—阻抗減小﹔

繞包﹕繞包張力大—鋁箔緊—阻抗小。

成纜節距(非對屏蔽)﹕成纜節距減小—阻抗減小。

成纜包帶(非對屏蔽) ﹕成纜包帶緊—阻抗減小。

編織的松緊(非對屏蔽) ﹕編織緊—阻抗減小。

外被的松緊(非對屏蔽) ﹕外被緊—阻抗小。

阻抗并不難

電纜的特性阻抗是一個復雜的特性，它是由電纜的各種物理參數如：電感、電容、電阻的值決定的。而這些值又取決于導體的形狀、同心度、導體之間的距離以及電纜絕緣層的材料。阻抗的突變會造成信號的反射而使信號傳輸時發生變化，導致錯誤，所以如何保證線纜在生產過程中的穩定性是生產控制的重點.

05

傳播延遲時間(Delay)

在訊號在傳輸線上，由輸入端號到達接收端所需要的時間，依訊號型式可分為：

一.單端延遲 (Single Ended Delay)

二.差動延遲 (Differential Mode Delay)

三.同模延遲 (Common Mode Delay)

典型的延時測試圖形

延遲常見問題匯總

1)2根對絞芯線不均勻(導體﹑絕緣)；對內延時差偏大﹔

2)2根對絞芯線發泡度不均勻—對內延時差偏大﹔

3)對絞節距不同—對內延時差不同﹔

4)對絞放線張力不一致—對內延時差偏大﹔

影響對間延時差的因素

對絞節距﹑成纜放線張力

1)對絞節距不同—對間延時差不同﹔

2)成纜放線張力不一致—對間延時差不同

06

傳播延遲差(SKEW)

是指在不同的訊號線上，訊號到達接收端的時間差，也就是Delay的差值，

典型的延時差異測試圖形

常見的Delay可分為二種：

一.差分對內延遲差(Inter-pair Skew)，是指輸入差分訊號下，同一對線內兩導體線之Single-end Delay的差值(相減)；是在TDR上設定Differential訊號，一次直接可以量得.

二.差分對間延遲差(Inter-pair Skew)，是指不同對線間之Differential Delay的差值(相減)，（差分）對間延遲差(Inter-pair Skew)，是指不同對線間之Differential Delay相減；是分2次以上量測再計算得到的.

位(時)差-- SKEW 單位 ps/ns

LVDS 是靠+/-一對訊號線在做訊號傳輸訊號是成雙成對的，若其中一根線較長或其他高頻效應使訊號跑得不等速，造成訊號在接收端接收的訊號重組時造成還原錯誤的現象。

同一對訊號線產生的稱Intra Skew

不同對訊號線產生的稱Inter Skew

關于SKEW

如果Delay Skew數值越小時，表示訊號傳輸的時間差越小，線材的傳輸特性較一致。反之，Delay Skew數值越大時，表示訊號傳輸的時間差越多，線材的傳輸特性較不一致.

07

回路損失(Return Loss)

回路損失是由于電纜結構及相關連接部件的阻抗變化引起的信號衰減，這些變化致使信號反射回信源，在低頻時，回路損失的影響較小，但在頻率高于50MHZ時，就會產生很大的影響，對于高清視頻系統，頻率會達到1500MHZ及以上，這時候，回路損失就會成為主要的甚至關鍵的因素，因此，回路損失在高清系統性能的測試和檢驗中成為一個關鍵的考量.

反射系數:反射系數描述了反射回源端的那部分電壓與入射電壓的比值.反射的信號量由瞬態阻抗的變化量決定.變化量越大,反射信號量就越大.只要信號遇到瞬態阻抗突變,反射就會發生.這可能是在線末端、或者是互連線拓補結構發生改變的任何地方、比如拐角、過孔、T形結構、接插件和封裝處等.

電纜上的反射信號的測量涉及到兩種方法，一種是回路損失（RL），另一種是結構回路損失（SRL），它與回路損失相似，但是測量方法不一樣,SRL從輸入阻抗中得出，RL從終端阻抗掃描中得出，兩者相比，回路損失是一種更準確測量反射的方法,在現實世界中，我們不能很好地使設備的輸入和輸出匹配結構悔路損失會是平均線纜輸入阻抗不匹配無效，不是一種實際測量方法，回路損失，設定一個特定的阻抗（75歐）不考慮實際的線纜及設備，是更合適的測量方法.

今天我們主要講述回路損失，它是描述由于設計，生產，加工電纜時的差錯所引起的信號損失，回路損失值越高越好.

典型的延時差異測試圖形

為什么要測試RL

在計算機網絡世界中，我們有詳盡的標準規定怎樣去測量和檢測網絡特性，檢測的結果使得終端用戶在開機前的系統特性得到保障，現階段，我們沒有這些檢驗和一系列的測試，更別說數字或高清系統設備，然而隨著信號帶寬的加大，數據速率的持續提高，這些檢測變得更加關鍵和重要，和計算機網絡世界相似，我們不僅要測試加工中的視頻線纜，還要測試“鏈路特性”，也就是說，所有的無源器件，像線纜連接件，饋路，接插件等等，回路損失是檢驗高頻數字和高清鏈路特性的一種最直接的發法.

是什么引起RL

線纜上的阻抗變化引起RL，因此，任務影響的阻抗公差都會影響電路損失，還包括視頻電纜的基本結構，中心導體的成分，生產時絕緣材料的選擇，屏蔽材料和方式的選擇，外被印字也會影響回路損失.

連接件和其它的無源器件像饋路，連接頭、接插件~~~？甚至輸入輸出設備的連接件的選擇都會對RL產生很大的影響，在加工的過成中，對線纜的回路損失也會造成影響，彎曲半徑和拉力是經常被線纜操作員忽視的因素，這些和其它影響回路損失的因素將會在后面一一討論.

如果RL 數值越趨近于0 時，表示訊號反射的情況越嚴重，反之，RL 數值越負(越小)時，表示訊號反射的情況越少；回路損失是指信號在傳輸線上傳輸時,其反射回來的信號量的大小.反射越小，RL值越大。完全匹配時為“-∞”，Open / Short 則為“0 ”

為什么要擔心RL？

高清把我們帶進一個少視頻多射頻的世界，實際上，一個非壓縮的高清視頻信號（帶寬高于1500MHZ）是一個更多的射頻信號，因此，許多傳輸線的理論適用于視頻信號，現在一張單一的非壓縮的高清視頻圖象信號的帶寬超過標準多信通有線電視/寬帶信號，而卻，高清系統的寬帶限制經常高于傳輸信通頻率，如此高的頻率，新的檢驗方法必須是必要的.

影響回波損耗的設計考量因素﹕反射是指訊號在傳輸線中傳輸時，如果遇到阻抗的變化就會產生反射，即部分訊號將沿著原來的傳播方向繼續傳播，而另外一部分訊號（已失真）仍延原方向傳輸.回路損失衡量的是訊號在傳輸線上傳輸時，其反射回來的訊號量的大小，反射越小，RL值越大.*注重的是結構的定性.

1.中心導體直徑不穩定

2.絕緣介電材質的直徑變化

3.絕緣介電材質或覆被的斷裂或缺陷

4.因連結到裸線的組接頭過多所形成的二次反射或多次反射之影響.

5.裸線組裝頭中的元件接觸不良或有空隙

6.絞距不穩定

7.外表押出時過緊或過松。

8.對絞或總絞放線張力不平衡,造成線有松有緊

影響回波損耗的制程因素﹕

導體均勻性﹑絕緣均勻性﹑發泡度均勻性﹑結構尺寸均勻性。

1) 導體直徑不均勻﹑導體有彎﹑導體不圓﹔

2) 絕緣芯線偏心﹑橢圓﹑線徑不均勻﹔

3) 發泡度不均勻﹔

4) 編織與外被的松緊也可引起回波的產生﹔工藝改善: 芯線制做均勻,導體圓整度,絕緣偏心度,收放線張力穩定

更多補充訊息

中心導體

如果中心導體的規格不對或者規格隨機改變（不均勻）這將會影響到特性阻抗和回路損失，導體不在中心或者隨機變化都會影響回路損失，放線軸不圓導致規格持續變化，這是偶然性的變化，這在前面講到過。

絕緣

當絕緣在導體上壓出時，有很多因數可以影響到阻抗和回路損失。比如設計阻抗時尺寸和速度變化不當都回影響阻抗和回路損失。

發泡能獲得較低的介電常數，但如果太柔軟甚至彎曲一下，線纜中心導體便會挪位。在這種情況下就會發生回路損失，線纜的特性阻抗也會與希望值發生偏差。

屏蔽

高頻線纜的屏蔽經常用鋁箔和編織相結合，從100kHZ到10MHZ編織是有效的。從10MHZ到1GHZ范圍內，鋁箔屏蔽是有效的，然而，如果編織的遮蔽率太低，這就包不住鋁箔。這種影響叫做“ballooning”會影響阻抗和回路損失，只要保持遮蔽率較高至少90%“ballooning”會減少，然而線纜生產廠家購買的整套的包括很多輪子和齒輪的編織機是偶然性的不連續和隨機變化是阻抗和回路損失的很大來源.

外被

雖然外被押出時對回路損失的影響很小，甚至沒有，但印字輪（在線纜上印上有關信息）會有一些問題，印字輪會在線纜的一邊施加壓力，這可能破壞線纜里面的結構尺寸.

加工組裝過程因素較多，需要看具體的測試數據來分析，一般而言，穩定的線材余量不會有太大的變量.

回損早知道

回路損失（RETURN LOSS）RL是回波損耗的簡稱，是數字電纜產品的一項重要指標，電纜鏈路由于阻抗不匹配所產生的反射，是一對線自身的反射。不匹配主要發生在連接器的地方，但也可能發生于電纜中特性阻抗發生變化的地方，所以施工的質量是減少回波損耗的關鍵?；夭〒p耗將引入信號的波動，返回的信號將被雙工的千兆網誤認為是收到的信號而產生混亂.

08

絕緣介電系數

素材準備（一些常見物質的介電系數）:

素材準備（一些常見物質的導磁系數）:

介電常數(Dielectric Constant): 介電常數定義為電力線密度與電場強度的比值，在dielectric material(一般用的塑膠)中，介電常數越小，電容的效應越小，電磁波通過的速率越快，目前測量介電常數的方法主要有集中電路法、傳輸線法、諧振法、自由空間波法等等，其中，傳輸線法、集中電路法、諧振法等屬于實驗室測量方法，測量通常是在實驗室中進行，要求具有相應的樣品采集技術，另外對于已知介電常數材料發泡后的介電常數通常用經驗公式得到，量測的方法如下:

導電系數( conductivity)

物質導電的能力，導電系數越大，電阻越小，相當于機械方面的IACS係數.

Velocity：電磁波在介質內的傳輸速度取決于介質的介電系數（permittivity）,及導磁系數（permeability），如下式:

在真空中：

可見電磁波在真空中是以光速在前進，假如電磁波在介質中傳播，我們必需知道介質的相對介電系數及相對導磁系數，以推算電磁波在介質內的傳遞速度，舉例而言，電磁波在SCSI Cable 內的傳遞速度為：（選用發泡PE絕緣材料，介質系數 2.3，銅導體的導磁系數 1）

介質的導電說明

在低頻時，介質的導電率低，故其流經的電流很小，然而，在高頻時，介質內會被導入電流而有損耗，低頻看導體，高頻看絕緣，就是這樣來分析而來的語句，在部分用在基站，有多種設備間的相互干擾的時候，介質的影響也是存在的，由于導體對導體會形成多種磁場，電磁場散逸在空氣中或介質而會損失能量，也就是EMI中的輻射干擾(另一種是經由電流影響其他裝置的傳導干擾)，這能量若耦合到其它裝置就造成干擾，若輻射損耗要小，則屏蔽效果要做好，在部分測試屏蔽阻抗的要求的線材時候，會更多考慮絕緣介質的影響.

現今介電常數的影響也更多的讓研發重視，其對應的測量技術現在正在不斷進步和日益完善，不同的工程要求和實驗環境要有具體的選擇物料的方法，不可以照葫蘆畫瓢，生搬硬套，可以DOE階段進行多種驗證.

09

其它參數匯總說明

頻域 Frequency Domain：以訊號的傳輸頻率來描述訊號特性

時域 Time Domain：以一個訊號的傳輸時間來描述訊號特性

頻域應用計算在訊號傳輸的波長，一個訊號具體傳輸波長，與傳輸數率與介質的介電係數有關，簡單記法是頻率1G時波長 =30公分(真空中速率)，除以介電係數就是在當量材質的傳輸波長。

時域在高頻應用在評估傳輸的訊號品質，頻率1G 的訊號時間是1 ns=1000ps

增益 ---Gain 單位 dB

自然界沒有不借助外力而能將一個單量進行放大的能力，外力的來源分幾何方式與外加能源方式兩大類。幾何方式就是以增加長度、面積或體積，如天線加長或加大電波截斷面積來達到訊號收集放大；外加能源方式運用在電子電路用電晶體(三極體)真空管或用Relay以小訊號控制大電流或將訊號放大。

以電子信號連續性分有 Analog類比式

Digital數碼式

Analog ---傳統自然界存在的訊號模式，具有連續性如聲音跟視覺影像

Digital ---以二進位編碼將Analog轉換，利于電腦作業

一般視覺/ 聽覺/味覺的訊號都是連續性的

類比轉數位(碼)有編碼級數(Bits)與取樣密度(Clock)兩項參數

1---切割越細(編碼bits越高)，資料越大失真越少。(CD片音質優于MP3音質)

2---取樣時間越密(掃描Clock越高)，資料越大失真越少。(電影片30FPS優于電視卡通24FPS，動作較順暢)

3---資料量越大傳輸損耗越大，能源需求越高，儲存空間越多，傳輸媒體要求越高數碼式信號以傳輸方式分Parallel并排式

Serial 序列式

Parallel ---將一個數碼節(Byte)分給數條并排的不

同訊號線，將數據傳輸的方式。

Serial ---將一個數碼節直接用單一條(對)訊號線，

將數據傳輸的方式。

爬昇時間 ---Rise Time 單位 – ps

單一個最小對訊號以TDR(Tome Domain Reflect meter)測試訊號由0電壓爬昇到測試電壓所需的時間。爬昇時間越快則可傳輸較高的頻率，相對較慢則無發傳輸高的頻率，相對的還有一個是下降時間(Fall Time)，但基本上兩者時間約為相等，爬升與下降時間相加不可大于一個1/2訊號傳輸時間