(CMT)A Quick Guide for How to Perform Differential Measurements on a Cable in Frequency and Time Domain
- RT-TECH
- 3일 전
- 4분 분량
케이블 하나에 담긴 두 개의 진실 — 차동 케이블을 주파수·시간 영역에서 측정하는 법
이 글은 Copper Mountain Technologies(CMT)의 기술 영상 “A Quick Guide for How to Perform Differential Measurements on a Cable in Frequency and Time Domain” 을 바탕으로, 현장 엔지니어와 고객을 위해 쉽게 풀어 정리한 가이드입니다.
(▶ 상단 영상을 먼저 보시면 이해가 더 쉽습니다.)
왜 지금 ’차동 측정’인가
USB, HDMI, 자동차 이더넷, PCIe, A2B… 요즘 고속 인터페이스는 대부분 차동(differential) 신호를 씁니다. 신호선 두 가닥에 서로 반대 위상의 신호를 실어 보내고, 받는 쪽에서 두 선의 ’차이’만 읽는 방식이죠. 공통으로 들어온 노이즈는 상쇄되기 때문에 노이즈에 강하고, 그래서 빠르고 먼 거리 전송에 유리합니다.
문제는 속도가 빨라질수록 케이블 자체가 신호를 얼마나 망가뜨리는지가 성능을 좌우한다는 점입니다. 손실, 반사, 두 선의 불균형(스큐)이 곧 데이터 오류로 이어집니다. “빠른 신호일수록, 케이블을 제대로 재는 것이 곧 품질 관리”인 이유입니다.
4-포트 VNA 한 대로 차동을 측정하는 원리
차동 케이블은 신호선 2가닥 × 양끝 = 4개의 연결점을 가집니다. 그래서 4-포트 VNA(벡터 네트워크 분석기) 로 측정합니다.
핵심은 이렇습니다. VNA는 실제로는 16개의 싱글엔디드 S-파라미터를 측정하고, 소프트웨어의 평형-불평형 변환(BalUn) 기능이 이 값을 차동/공통 모드 결과로 계산해 줍니다. 즉, 별도의 발룬(balun) 부품 없이 소프트웨어만으로 차동 특성을 얻습니다.
이렇게 얻는 값이 혼합모드(mixed-mode) S-파라미터 네 가지입니다.
파라미터 | 의미 | 무엇을 말해주나 |
Sdd | 차동 → 차동 | 본래의 차동 성능(삽입손실·반사). 가장 중요 |
Scc | 공통 → 공통 | 공통모드 성능. EMI/방사 노이즈와 관련 |
Scd | 차동 → 공통 | 차동이 공통으로 새는 정도(모드 변환). EMI 원인 |
Sdc | 공통 → 차동 | 외부 노이즈가 차동으로 유입되는 취약성 |
주파수 영역에서 보는 것
주파수를 바꿔가며 케이블이 신호에 주는 영향을 확인합니다. 케이블 측정에서 가장 많이 보는 값은 다음 세 가지입니다.
Sdd21 — 차동 삽입손실(Insertion Loss): 케이블이 신호를 얼마나 감쇠시키는가. 주파수가 높을수록 손실이 커지며, 이 곡선이 케이블의 대역폭 한계를 결정합니다.
Sdd11 — 차동 반사손실(Return Loss): 임피던스 정합 상태. 반사가 크면 신호가 되돌아와 왜곡을 일으킵니다. 목표는 보통 100Ω 차동 정합입니다.
Scd21 / Sdc21 — 모드 변환(Mode Conversion): 두 선의 불균형·스큐(두 선이 도착하는 시간의 차이)로 생기는 누설. 크면 EMI를 방출하거나 노이즈를 끌어들입니다.
잠깐, Sdd21·Sdd11은 어떻게 계산될까?
어렵지 않습니다. 차동은 “+선과 −선을 반대로 구동하고, 두 선의 응답을 빼서 본다” 가 전부입니다.
포트 약속(차동포트1 = 물리 1·2, 차동포트2 = 물리 3·4)을 두면, 두 대표 값은 이렇게 정의됩니다.
Sdd11 = ½ ( S11 − S12 − S21 + S22 ) → 차동 반사손실
Sdd21 = ½ ( S31 − S32 − S41 + S42 ) → 차동 삽입손실Sdd21을 직접 따라가 보면 직관이 옵니다. End1에 차동으로 넣으면(a₁=+1, a₂=−1), End2 두 핀의 출력은 b₃ = S31−S32, b₄ = S41−S42가 되고, 차동 출력은 두 핀의 차이 b₃−b₄ = S31−S32−S41+S42입니다. 여기에 정규화 계수 ½을 곱한 것이 Sdd21이죠. “같은 극끼리(S31·S42)는 더하고, 반대 극끼리(S32·S41)는 빼는” 이유도 D+와 D−를 반대로 구동했기 때문입니다.
해석은 dB로 합니다. Sdd(dB) = 20·log₁₀|Sdd|. 실무에서는 BalUn만 켜면 이 조합 계산은 소프트웨어가 자동으로 해줍니다. 단, 정확도는 4-포트 교정과 올바른 포트 매핑에 달려 있습니다.
시간 영역(TDR)에서 보는 것
같은 데이터를 시간축으로 변환하면 완전히 다른 관점이 열립니다. VNA는 실제로 펄스를 쏘지 않고, 주파수 측정값을 Chirp-Z 변환으로 계산해 TDR(시간 영역 반사) 파형을 만듭니다.
📌 Chirp-Z 변환이란? 푸리에 변환(FFT)을 일반화한 것으로, FFT가 정해진 격자에서 전체를 한 번에 변환한다면 Chirp-Z는 원하는 구간을 원하는 간격·개수로 자유롭게 변환합니다. 마치 고정 배율 카메라(FFT)와 줌 렌즈(Chirp-Z)의 차이와 같습니다. 덕분에 VNA는 시간축의 시작·끝·범위를 자유롭게 정해 관심 있는 거리 구간만 확대해 볼 수 있고, 점 개수가 2의 거듭제곱일 필요도 없으며, DC에서 시작하지 않는 Bandpass 측정도 처리할 수 있습니다.
이렇게 하면 케이블의 길이 방향을 따라 문제의 ‘위치’ 를 짚어낼 수 있습니다.
임피던스 불연속 위치 파악: 커넥터, 손상, 굽힘, 접점 불량이 케이블의 어느 지점(거리)에 있는지 표시합니다.
불연속의 성질 구분: Lowpass Step 모드에서는 개방(open)·단락(short)·정합 여부까지 판별합니다.
고장 진단 & 품질 관리: 불량 케이블에서 문제 구간을 빠르게 찾아냅니다.
거리를 미터·피트로 표시하려면 케이블의 속도계수(Velocity Factor) 설정이 필요합니다. 주파수 영역이 ‘무엇이 얼마나 나쁜가’를 말한다면, 시간 영역은’어디가 문제인가’를 말해줍니다. 두 관점은 서로를 보완합니다.
현장에서 한 걸음 더: 디엠베딩과 자동 측정
실제 생산 현장에서는 케이블을 VNA에 바로 꽂지 못하고 지그(fixture)·커넥터·어댑터를 거칩니다. 그러면 측정값에 지그의 영향이 섞여 들어갑니다. 이때 디엠베딩(De-embedding) 을 쓰면 지그의 S-파라미터를 알고 있는 경우 그 영향을 수학적으로 제거해, 케이블(DUT)만의 순수한 성능을 볼 수 있습니다. 쉽게 말해 측정 기준면을 DUT 바로 앞까지 옮기는 것이죠. (CMT VNA는 이 기능을 모든 제품에 추가 비용 없이 기본 제공합니다.)
포트 확장 vs 디엠베딩 — 헷갈리기 쉬운 두 기능
기준면을 옮기는 기능에는 두 가지가 있는데, 고객이 자주 혼동합니다. 둘 다 기준면을 이동시키지만 보정 범위가 다릅니다.
구분 | 포트 확장 (Port Extension) | 디엠베딩 (De-embedding) |
보정 범위 | 전기적 길이(위상·지연)만 | 손실·반사·위상 전부 |
손실·반사 | 보정하지 못함 | 완전히 보정 |
적합한 경우 | 짧고 손실 적은 구간의 빠른 간이 보정 | 손실이 크거나 임피던스 불연속이 있는 지그 |
별도 파일 | 불필요 | .s2p / .s4p 파일 필요 |
한 줄로 정리하면, 급하게 위상만 맞출 때는 포트 확장, 케이블만 정밀하게 보려면 디엠베딩입니다.
여러 채널은 스위치 매트릭스로 자동 측정
여러 채널을 가진 하네스를 측정할 때는 VNA에 스위치 매트릭스를 붙여 채널을 전환하며 자동 측정하도록 구성할 수 있습니다. 예를 들어 SN0904 4-포트 VNA + 스위치 매트릭스로 자동차 BODY 하네스(이더넷·A2B·FAKRA 등)의 여러 경로를 한 번에 검사하는 식입니다. 이때 교정면을 케이블 끝단에 두고(분리 금지), 여러 경로의 길이를 맞추는 것이 정확도의 핵심입니다.
정리
고속 디지털 신호는 대부분 차동이며, 케이블의 손실·반사·불균형이 성능을 좌우합니다.
하나의 4-포트 VNA로 두 관점을 봅니다. 주파수 영역(손실·반사·모드변환)과 시간 영역(문제의 위치).
소프트웨어의 BalUn이 싱글엔디드 측정을 Sdd/Scc/Scd/Sdc로 자동 변환합니다. 발룬 부품이 필요 없습니다.
정확한 측정의 핵심은 교정과 디엠베딩입니다.
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