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第一部分
電氣特性各參數(shù)與結(jié)構(gòu)之關(guān)係
反射類參數(shù): 特性阻抗, 電容, 電感, 反射損失, 駐波比
傳輸類參數(shù): 衰減, 傳播速度, 傳播延遲, 串音等
這里導(dǎo)入反射與傳輸?shù)母拍?SPAN lang=EN-US>, 傳輸線中高頻信號傳輸?shù)默F(xiàn)象是截然不同於低頻或是直流的信號. 在交流電路里, 如果一個(gè)信號源電阻不等於負(fù)載電阻, 信號源產(chǎn)生的功率將不會(huì)有最大轉(zhuǎn)換於負(fù)載上. 經(jīng)專家分析, 發(fā)現(xiàn)有不可忽略的功率散逸(Power Dissipation)於連接信號源和負(fù)載的傳輸線路上. 而這個(gè)功率的散逸就被視為一個(gè)反射回信號源的功率.
一. 傳輸線的甚本特點(diǎn):
1. 信號產(chǎn)生的阻抗與它的直流電阻無關(guān).
2. 阻抗的變化會(huì)導(dǎo)致信號與能量在傳輸線中的反射.
3. 信號在一對傳輸線中從一點(diǎn)到另一點(diǎn)需要一定的時(shí)間.
4. 因?yàn)橛幸欢ǖ膫鬏敃r(shí)間,在導(dǎo)體上即時(shí)電壓電流的比值由導(dǎo)體(傳輸線)的特性來決定.
歐姆定律: V = I * R
二. 特性阻抗: 傳輸線受導(dǎo)體的結(jié)構(gòu)影響而有一高頻信號的阻值,被視為 特性阻抗.
(1). 傳輸信號受特性阻抗的大小而影響著兩個(gè)重要的因素.
a. 高功率信號的處理能力 (High-power handing)
b. 信號低頻傳輸損失的能力 (Low loss)
60 √Σr D d <DIV class=shape style="PADDING-RIGHT: 7.2pt; PADDING-LEFT: 7.2pt; PADDING-BOTTOM: 3.6pt; PADDING-TOP: 3.6pt" v:shape="_x0000_s1026">
(2). 理想的特性阻抗與結(jié)構(gòu)的關(guān)係: d<DIV class=shape style="PADDING-RIGHT: 7.2pt; PADDING-LEFT: 7.2pt; PADDING-BOTTOM: 3.6pt; PADDING-TOP: 3.6pt" v:shape="_x0000_s1029">
Σr<DIV>
d=中心導(dǎo)體的直徑(m)
D=外部導(dǎo)體或覆被的內(nèi)徑(m)
Σr=絕緣材質(zhì)的介電系數(shù) D
a. 特性阻抗是由d, D, Σr所決定
b. 特性阻抗和長度無關(guān),如果測試的頻率大于
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
三. I電流 R’ 電阻 L’ 電感 中心導(dǎo)體 + - 無限小的單位長度 dx 有介電常數(shù)的絕緣物質(zhì) 外部導(dǎo)體或覆被<DIV> V電位 C’ 並聯(lián)電容 G’ 並聯(lián)電導(dǎo)

當(dāng)有一外加電壓施於中心導(dǎo)體及外部導(dǎo)體之間, 這兩平行導(dǎo)體上的電荷會(huì)感應(yīng)出一電能, 以並聯(lián)電容(C, Shunt Capacitance)來表示產(chǎn)生每單位長的電能之鏈結(jié). 如果介電物質(zhì)的絕緣效果不是很理想的話, 兩平行導(dǎo)體上會(huì)有漏電流產(chǎn)生, 這漏電流的感應(yīng)電位是由一並聯(lián)電導(dǎo)(G, Shunt Conductance)來表示. 所以, 當(dāng)單位長度縮到無限小(dx), 等效電路的電流變化可用下式來表示:
dI=(R+jwL)*V*dx
另一方面,延著中心導(dǎo)體方向,每單位長度電流波所產(chǎn)生磁通量之鏈結(jié),是由串聯(lián)的電感(L’,Inductance)來表示此磁能的傳遞。傳遞高頻信號時(shí),在中心導(dǎo)體的熱能耗損,是由串聯(lián)電阻(R’,Resistance)來代表。因此,無限小的單位長度上電壓變化是:
dV=(R+jwL)*I*dx
由上面的等效電路圖所得到上述二式,可以推導(dǎo)實(shí)際同軸傳輸線的特性阻抗,見(1)式 (1)
這理, C’ = 每單位長度的傳輸線電容值;
G’ = 每單位長度的傳輸線電抗值
L’ = 每單位長度的傳輸線電感值;
R’ = 每單位長度的傳輸線電阻值
f = 延著傳輸線傳輸信號波的頻率
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如果f >
最後,(2)式所需單位長度的傳輸線電容值也可由傳輸線結(jié)構(gòu)推導(dǎo)。其中心導(dǎo)體和外部覆被間,每單位長度[公尺(m)或英吋(ft)]的電容值是
(3)
同理,每單位長度(公尺(m)或英吋(ft))的電感值是
(4)
綜上所述:
1. 電容和電感是高頻電磁波在同軸電纜中傳輸時(shí)引起的兩個(gè)性能參數(shù).
2. 任何導(dǎo)體均表現(xiàn)出一定的電感(L).H, 電容(C).F和電阻(R).Ω, 以及絕緣導(dǎo)致的漏電流特性.
3. 傳輸線中分布式的電容和電感使得在高頻下類似於一個(gè)電感—電容的網(wǎng)絡(luò). 這個(gè)網(wǎng)絡(luò)的阻抗等於(L/C)1/2, 它是由同軸線的結(jié)構(gòu)尺寸與絕緣介電常數(shù)決定和影響的, 並影響了傳輸線的特性阻抗.
二. 反射損失: 當(dāng)傳輸線上的某一點(diǎn)的阻抗值改變時(shí),在這一點(diǎn)被視為一個(gè)不連續(xù)點(diǎn).這個(gè)不連續(xù)點(diǎn)會(huì)導(dǎo)至該點(diǎn)的入射電壓或電流波被反射,入射能量因而損失,稱為阻抗不批配.
1. 此點(diǎn)起因於:
(1). 中心導(dǎo)體直徑的變化 (d) (返燃可解決)
(2). 絕緣介電材質(zhì)的直徑變化 (D)
(3). 絕緣介電材質(zhì)或覆被的斷裂或缺陷
(4). 因連結(jié)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
2. 原理:
(1). 網(wǎng)絡(luò)分析儀所量測的反射電壓是以反射系數(shù) (Γ) 來表示.因此:
U Reflected ZL-Zo 反射電壓 U Forward ZL+Zo 入射電壓
阻抗不連續(xù)點(diǎn)和電壓波反射的關(guān)系可表示為:<DIV class=shape style="PADDING-RIGHT: 7.2pt; PADDING-LEFT: 7.2pt; PADDING-BOTTOM: 3.6pt; PADDING-TOP: 3.6pt" v:shape="_x0000_s1026">
Γ = = 即<DIV class=shape style="PADDING-RIGHT: 7.2pt; PADDING-LEFT: 7.2pt; PADDING-BOTTOM: 3.6pt; PADDING-TOP: 3.6pt" v:shape="_x0000_s1027"> <DIV class=shape style="PADDING-RIGHT: 7.2pt; PADDING-LEFT: 7.2pt; PADDING-BOTTOM: 3.6pt; PADDING-TOP: 3.6pt" v:shape="_x0000_s1031"> <DIV class=shape style="PADDING-RIGHT: 7.2pt; PADDING-LEFT: 7.2pt; PADDING-BOTTOM: 3.6pt; PADDING-TOP: 3.6pt" v:shape="_x0000_s1032">
(2). 如果: 用Vi: 入射電壓 Vr: 反射電壓: VL: 通過負(fù)載的電壓
那么: VL=Vi+
ZL = VL/IL = (Vi+Vr)/Ii-Ir = (Vi+Vr)/(Vi/Zo-Vr/Zo)
= Zo * (1+Vr/Vi)/(1-Vr/Vi)
a. 負(fù)載等於參考阻抗 反射系數(shù)趨于0 (0% 零反射)
ZL=Zo Vr=0
b. 負(fù)載是斷路 反射系數(shù)趨于1 (100% 全反射 反射波形和ZL=∞ Vr=Vi (同相) 入射波形相同)
c. 負(fù)載是短路 反射系數(shù)趨于-1 (100% 全反射 反射波形ZL=0 Vr=-Vi (反相) 和入射波形相反)
反射損失: 是以分貝的型式來表示反射系數(shù).RL=
用來反映反射功率與入射功率的比值, 與SWR相反, 反射越小時(shí), 回波損耗值越大.
反射的產(chǎn)生與防護(hù): (漏電流. 遮蔽, 鋁箔, 透明麥拉)
三. 駐波比: 延著傳輸線的傳輸方向 (長度需大於信號波長的10倍), 總會(huì)找到一個(gè)最大的電壓和一個(gè)對應(yīng)的最小電壓, 而這最大電壓和最小電壓的比值就是駐波比.
1. 傳輸線上總的電壓是入射波與反射波電壓的矢量和.
2. 入射與反射的相位關(guān)係與線的觀察點(diǎn)的選取有很大的關(guān)係.
3. 終端負(fù)載的阻抗(ZL)可能與傳輸線的阻抗(Zo)不一樣. ZL可以介於0與無窮大之間, 所以它會(huì)吸引入射波的一些能量並將其它的反射.
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1. 用入射波與反射波的幅值之差與和來表示U Max=|Vi|+|Vr|, U Min =|Vi|-|Vr|. 最大與最小的比值就稱為SWR.
2. 當(dāng)完全匹配的時(shí)候, 即ZL=Zo, 此時(shí)不會(huì)發(fā)生反射, 故SWR=1, 當(dāng)完全開路或短路狀態(tài)時(shí), SWR無窮大.
1+|Γ| 1-|Γ| U Forward + U Reflected U Forward - U Reflected U Max U Min<DIV class=shape style="PADDING-RIGHT: 7.2pt; PADDING-LEFT: 7.2pt; PADDING-BOTTOM: 3.6pt; PADDING-TOP: 3.6pt" v:shape="_x0000_s1028"> <DIV class=shape style="PADDING-RIGHT: 7.2pt; PADDING-LEFT: 7.2pt; PADDING-BOTTOM: 3.6pt; PADDING-TOP: 3.6pt" v:shape="_x0000_s1027"> <DIV class=shape style="PADDING-RIGHT: 7.2pt; PADDING-LEFT: 7.2pt; PADDING-BOTTOM: 3.6pt; PADDING-TOP: 3.6pt" v:shape="_x0000_s1026">
負(fù)載等於參考電壓 駐波比=1
負(fù)載是斷路或短路 駐波比=∞
Pout Pin
六. 衰減: 指輸出端功率(Pout)比入射端功率(Pin)降低了多少,並且以dB的形式來表示.即: α=10log (dB) [和阻抗有很大的關(guān)係]<DIV class=shape style="PADDING-RIGHT: 7.2pt; PADDING-LEFT: 7.2pt; PADDING-BOTTOM: 3.6pt; PADDING-TOP: 3.6pt" v:shape="_x0000_s1032">
1. 單位長度傳輸線的總衰減是中心導(dǎo)體的損失(αC)和介電材質(zhì)損失(αD)之和.
1 d+D 11.39√f Zo 1 d+D 4.34√f Zo<DIV class=shape style="PADDING-RIGHT: 7.2pt; PADDING-LEFT: 7.2pt; PADDING-BOTTOM: 3.6pt; PADDING-TOP: 3.6pt" v:shape="_x0000_s1037"> <DIV class=shape style="PADDING-RIGHT: 7.2pt; PADDING-LEFT: 7.2pt; PADDING-BOTTOM: 3.6pt; PADDING-TOP: 3.6pt" v:shape="_x0000_s1034"> <DIV class=shape style="PADDING-RIGHT: 7.2pt; PADDING-LEFT: 7.2pt; PADDING-BOTTOM: 3.6pt; PADDING-TOP: 3.6pt" v:shape="_x0000_s1041"> <DIV class=shape style="PADDING-RIGHT: 7.2pt; PADDING-LEFT: 7.2pt; PADDING-BOTTOM: 3.6pt; PADDING-TOP: 3.6pt" v:shape="_x0000_s1039">
} δ為散逸系數(shù)<DIV class=shape style="PADDING-RIGHT: 7.2pt; PADDING-LEFT: 7.2pt; PADDING-BOTTOM: 3.6pt; PADDING-TOP: 3.6pt" v:shape="_x0000_s1045"> <DIV class=shape style="PADDING-RIGHT: 7.2pt; PADDING-LEFT: 7.2pt; PADDING-BOTTOM: 3.6pt; PADDING-TOP: 3.6pt" v:shape="_x0000_s1046">
散逸系數(shù)是傳輸線中電阻成份的函數(shù).也是指介電材質(zhì)能防止高頻能量經(jīng)由電阻成份散逸而保存的能力.
介電材質(zhì)散逸系數(shù)越低, 代表其傳遞高頻能量之能力越高.
2. 低衰減歸於下列因素:
a. 很大的中心導(dǎo)體直徑(d)或絕緣介電材質(zhì)的直徑.
b. 中心導(dǎo)體直徑或覆被低阻值
c. 低介電系數(shù)
d. 低的集膚效應(yīng)深度
l 除非特別規(guī)定,依美國ASTM-D-4566-94標(biāo)準(zhǔn),量測溫度應(yīng)在周遭室溫20 ±
α20=補(bǔ)償?shù)?st1:chmetcnv w:st="on" TCSC="0" NumberType="1" Negative="False" HasSpace="False" SourceValue="20" UnitName="℃">20℃時(shí)的衰減 αT =在T℃時(shí)所量的衰減 T = 量測時(shí)的溫度 { αT [1+0.0022(T-20)]<DIV class=shape style="PADDING-RIGHT: 7.2pt; PADDING-LEFT: 7.2pt; PADDING-BOTTOM: 3.6pt; PADDING-TOP: 3.6pt" v:shape="_x0000_s1049"> <DIV class=shape style="PADDING-RIGHT: 7.2pt; PADDING-LEFT: 7.2pt; PADDING-BOTTOM: 3.6pt; PADDING-TOP: 3.6pt" v:shape="_x0000_s1050"> <DIV class=shape style="PADDING-RIGHT: 7.2pt; PADDING-LEFT: 7.2pt; PADDING-BOTTOM: 3.6pt; PADDING-TOP: 3.6pt" v:shape="_x0000_s1047">
六. 傳播速度:
1 √Σr
電壓波在傳輸線中傳播的速度小於在空氣中傳播的速度. 這是因?yàn)榻^緣介電物質(zhì)阻礙高頻訊號波的傳遞. 因此傳播速度主要是由中心導(dǎo)體和覆被之間的絕緣物質(zhì)的介電系數(shù)(Σr)來決定.<DIV class=shape style="PADDING-RIGHT: 7.2pt; PADDING-LEFT: 7.2pt; PADDING-BOTTOM: 3.6pt; PADDING-TOP: 3.6pt" v:shape="_x0000_s1051">
例: PE介電系數(shù)為Σr=2.26, 它擁有66.5%的傳播速度. 為
1.995 ×
鐵弗龍(PTFE)介電系數(shù)Σr=2.1, 它有69.0%的傳播速度. 為
2.070 ×
光速為 3.000 ×
七. 傳播延遲: 指固定頻率下訊號波經(jīng)過固定長度傳輸線所需之時(shí)間.
√Σr 0.3
VR= ns/m<DIV class=shape style="PADDING-RIGHT: 7.2pt; PADDING-LEFT: 7.2pt; PADDING-BOTTOM: 3.6pt; PADDING-TOP: 3.6pt" v:shape="_x0000_s1054">
發(fā)泡系數(shù)須由修正補(bǔ)償后的延遲(V’R)來計(jì)算,
Σr’=(Σr)1-x或0.3VR’=(0.3VR)1-x
Σr’ 和VR’分別為發(fā)泡過程后的介電材質(zhì)系數(shù)和傳播速度, Σr和VR是發(fā)泡過程前的介電系數(shù)和傳播速度.
八.串音: 兩線路之間互相干擾的電磁雜訊, 隨著頻率之升高而增加, 分為近端串音和遠(yuǎn)端串音.
P3 P4 P1 P2<DIV class=shape style="PADDING-RIGHT: 7.2pt; PADDING-LEFT: 7.2pt; PADDING-BOTTOM: 3.6pt; PADDING-TOP: 3.6pt" v:shape="_x0000_s1061"> <DIV class=shape style="PADDING-RIGHT: 7.2pt; PADDING-LEFT: 7.2pt; PADDING-BOTTOM: 3.6pt; PADDING-TOP: 3.6pt" v:shape="_x0000_s1060">
它的優(yōu)劣與絞距和絕緣材質(zhì)有密切的關(guān)係.
電容和電感對串音的影響較大.
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第二部份
常見電腦連接線簡介及測試要求
一. LAN Cable(包括Cat.3(16).4(20).5(100).6(250).7(750))測試項(xiàng)目:
用途: 用於建筑物內(nèi)的基干佈線和建築物間的基干佈線.
(1). Return Loss 反射損失
(2). Zin—OS 輸入阻抗
(3). Fitted—CharZ 特性阻抗
(4). Structural Return Loss 結(jié)構(gòu)回波損耗
(5). Attenuation 衰減
(6). Delay 延遲
(7). Skew 延遲差
(8). Near-End Xtalk 近端串音
(9). Near-End Xtalk-PwrSum 近端串音
(10). EL Far-End Xtalk 遠(yuǎn)端串音
(11). EL Far-End Xtalk-PwrSum 遠(yuǎn)端串音
二. 1394 Cable: 1394是資料傳輸?shù)臉?biāo)準(zhǔn), 而不是電氣標(biāo)準(zhǔn).
測試項(xiàng)目比USB多了一個(gè)遠(yuǎn)端串音 (Far-End Xtalk).
為什麼? ……
優(yōu)點(diǎn): 1. 具有數(shù)據(jù)傳輸?shù)墓潭l率.
2. 支持?jǐn)?shù)字界面. 可用BUS操縱.
3. 體積小, 便於攜帶, 簡單易用, 可隨意佈線.
4. 可大可小的接線架構(gòu).
5. 即插即用.
功能: 1. 具有強(qiáng)大的包容能力. 比如一個(gè)1394接口可以代替Parallel, SCSI, Local talk, ADB, Sound, Power等五個(gè)接口.
2. 它可以使傳輸數(shù)據(jù)資料的所有類型的交叉平臺(tái)標(biāo)準(zhǔn)化.
3. 具有真實(shí)的, 同步的功能. 它不需要中央處理、控制系統(tǒng), 可直接轉(zhuǎn)換, 如: 數(shù)碼相機(jī)-----印表機(jī).
4. 可用於同位體 (在網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)體系中, 任何與另一個(gè)實(shí)體處在同一層次上的功能單元或操作裝置) 之間的轉(zhuǎn)換.
5. 它可有效改善數(shù)據(jù)傳輸?shù)男?/SPAN>, 加快、擴(kuò)充信號的速度.
6. USB可連接127個(gè)終端, 1394架構(gòu)呢?
bus bridge<DIV>
Node 2 Node n Node 1<DIV class=shape style="PADDING-RIGHT: 7.95pt; PADDING-LEFT: 7.95pt; PADDING-BOTTOM: 4.35pt; PADDING-TOP: 4.35pt" v:shape="_x0000_s1032"> <DIV class=shape style="PADDING-RIGHT: 7.95pt; PADDING-LEFT: 7.95pt; PADDING-BOTTOM: 4.35pt; PADDING-TOP: 4.35pt" v:shape="_x0000_s1033">
63 Bus 3# 1023<DIV class=shape style="PADDING-RIGHT: 7.95pt; PADDING-LEFT: 7.95pt; PADDING-BOTTOM: 4.35pt; PADDING-TOP: 4.35pt" v:shape="_x0000_s1031">
…… ……
bus bridge<DIV>
Node 2 Node 1 Node n<DIV class=shape style="PADDING-RIGHT: 7.95pt; PADDING-LEFT: 7.95pt; PADDING-BOTTOM: 4.35pt; PADDING-TOP: 4.35pt" v:shape="_x0000_s1038"> <DIV class=shape style="PADDING-RIGHT: 7.95pt; PADDING-LEFT: 7.95pt; PADDING-BOTTOM: 4.35pt; PADDING-TOP: 4.35pt" v:shape="_x0000_s1037">
63 Bus 2#<DIV class=shape style="PADDING-RIGHT: 7.95pt; PADDING-LEFT: 7.95pt; PADDING-BOTTOM: 4.35pt; PADDING-TOP: 4.35pt" v:shape="_x0000_s1039">
……
bus bridge<DIV>
Node 2 Node n Node 1<DIV class=shape style="PADDING-RIGHT: 7.95pt; PADDING-LEFT: 7.95pt; PADDING-BOTTOM: 4.35pt; PADDING-TOP: 4.35pt" v:shape="_x0000_s1035"> <DIV class=shape style="PADDING-RIGHT: 7.95pt; PADDING-LEFT: 7.95pt; PADDING-BOTTOM: 4.35pt; PADDING-TOP: 4.35pt" v:shape="_x0000_s1036">
63 Bus 1#<DIV class=shape style="PADDING-RIGHT: 7.95pt; PADDING-LEFT: 7.95pt; PADDING-BOTTOM: 4.35pt; PADDING-TOP: 4.35pt" v:shape="_x0000_s1034">
……
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bus: 總線, 母線, (匯流排) 它是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)各部間的一種電連線, 信號及電源就是通過它傳送的. 每種微處理機(jī)都具有三組總線, 分別供數(shù)據(jù), 地址和控制信號使用. 信息可從多個(gè)源部件中的任何一個(gè)經(jīng)總線傳送到多個(gè)目標(biāo)部件中的任意一個(gè), 總線由若干平行導(dǎo)線組成, 分別傳送地址, 數(shù)據(jù), 同步信號, 控制信息及電源等. 它也是數(shù)據(jù)通信技術(shù)中的一種網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu), 其中各個(gè)工作站通過T型接頭與主電纜相連.
Node: 網(wǎng)絡(luò)中的一種地點(diǎn), 在該地點(diǎn)有一個(gè)或多個(gè)操作部件與傳輸線相連. 在系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)(SNA)中, 鏈路的端點(diǎn)或網(wǎng)絡(luò)中二條或多條鏈路的公共結(jié)合點(diǎn). 網(wǎng)點(diǎn)對於主處理機(jī)、通信控制點(diǎn)、群集控制器和終端可以是分布式的. 網(wǎng)點(diǎn)路由選擇及其它的運(yùn)行功能可以改變.
三. USB(1.1, 2.0)測試項(xiàng)目:
(1). Impedance 特性阻抗
a. Differential 差分阻抗
兩條線串連起來的阻抗,輸入不同相位的信號,相位差為1800
b. Common mode 同模阻抗 (1.1不要求)
兩條線並連起來的阻抗, 輸入相同相位的信號, 相位差為00
c. Single 單端阻抗 (都不要求)
單根線的阻抗
網(wǎng)絡(luò)分析儀中使用Blun的目的是為了將Single訊號轉(zhuǎn)化為Differential和Common mode訊號.
(2). 衰減, 延遲, 延遲差: 1.1和2.0的區(qū)別:
a. 2.0要求測到400MHz的衰減, 1.1只要到96MHz即可.
b. 2.0的延遲差要求控制到100ps/Cable, 而1.1只要不大於400ps/Cable即可.
(3). USB架構(gòu)最多可連接127個(gè)終端設(shè)備.
四. DVI Cable測試項(xiàng)目:
a. 差動(dòng)阻抗 b. 同模阻抗 c. 單端阻抗 d. 差動(dòng)延遲
e. 對間延遲差 (Inter-Pair Skew) f. 對內(nèi)延遲差 (Intra-Pair Skew)
g. 上升時(shí)間衰退或頻寬 (Rise time Degradation or Bandwidth) (ps)
h. 近端串音 i. 遠(yuǎn)端串音 j. 衰減
五.
a. 特性阻抗 b. 衰減 c. 不平衡電容 d. 延遲
e. 延遲差 f. DC電阻
