AI助力高速線(xiàn)纜卷向下一代速率

AI 計算帶來(lái)的數據中心高速線(xiàn)纜需求

隨著(zhù)數據傳輸需求的不斷增加，高速互連技術(shù)變得越來(lái)越重要。目前在業(yè)界引起廣泛關(guān)注的超大規模AI數據中心就離不開(kāi)各類(lèi)高速線(xiàn)纜。數據中心400G和800G速率成為主流，1.6T升級趨勢明確，目前主用于通信領(lǐng)域的SerDes速率在56G和112G，在即將到來(lái)的224G時(shí)代，數據中心通信單端口速率將基于4通道達到800G，8通道達到1.6T，成本有望大幅下降。與之對應的銅連接單通道速率也向著(zhù)更高的112Gbps和224Gbps演進(jìn)。預計到2028年，高速線(xiàn)纜的市場(chǎng)總量將超過(guò)28億美金。由于AI驅動(dòng)的需求，未來(lái)銅纜（DAC）的數量會(huì )非常強勁，甚至可能超過(guò)AOC（有源光纜）。

圖1和2 高速線(xiàn)纜市場(chǎng)預測

*AOC/DAC/AEC為高速線(xiàn)纜類(lèi)型

下一代224G 技術(shù)

為了滿(mǎn)足 AI 對海量計算能力和存儲容量的需求，超大型企業(yè)必須考慮連接計算資源，并開(kāi)創(chuàng )出專(zhuān)用生成式 AI數據中心的新時(shí)代。這種面向未來(lái)的想法直接導致了 224 Gbps解決方案的開(kāi)發(fā)。224G技術(shù)于兩年前開(kāi)始開(kāi)發(fā)，推動(dòng)了半導體和互連領(lǐng)域的技術(shù)進(jìn)步，成為支持生成式 AI革命的基礎技術(shù)之一。

盡管關(guān)于224 Gbps傳輸技術(shù)的研究已經(jīng)展開(kāi)，工作組也已經(jīng)成立，但目前還沒(méi)有發(fā)布任何標準。一個(gè)研究方向是調制方式——是繼續使用 PAM4調制還是轉到更高階的方案，譬如 PAM6（每符號約 2.6 比特）、 PAM8（每符號 3 比特）乃至 PAM16（每符號 4 比特）。其他可能的方法包括離散多音（DMT）或部分響應PAM4調制。

圖 3.  224 Gbps 以上的電信號

PAM4調制的優(yōu)勢

PAM是什么意思？

PAM（Pulse Amplitude Modulation) 脈沖幅度調制信號是下一代數據中心做高速信號互連的一種熱門(mén)信號傳輸技術(shù)，可以廣泛應用于200G/400G接口的電信號或光信號傳輸。脈沖幅度調制是一種在物理層使用的多電平信號方案，允許通過(guò)改變電壓脈沖的幅度來(lái)每時(shí)鐘周期傳輸多個(gè)比特。結果是數據速率增加。PAM4調制（四電平脈沖幅度調制）使用四個(gè)電壓級別每時(shí)鐘信號傳輸 2 比特，相比傳統的無(wú)歸零 (NRZ) 信號，數據速率翻倍。

高速接口的路線(xiàn)圖IEEE以太網(wǎng)已經(jīng)在400G和800G以太網(wǎng)中使用PAM4調制方案。還可以看到其他技術(shù)如計算機串行總線(xiàn)（包括 PCIe 6、7 和 USB4 V2）將利用脈沖幅度調制技術(shù), 內存技術(shù)也將加入PAM調制的潮流。

繼續使用PAM4調制的優(yōu)勢在于，業(yè)界已經(jīng)對這項技術(shù)開(kāi)展了大量的研究，而其劣勢則在于這種調制方式要求整個(gè)鏈路具有相對較大的器件帶寬。224 Gbps PAM4 的波特率為112 GBd，因此整個(gè)系統的帶寬（包括線(xiàn)纜、連接器、調制器、檢波器、ADC 和 DAC）必須為 84GHz 左右，生產(chǎn)中測試頻率至少需要達到 56GHz（Nyquist頻率）。

高速線(xiàn)纜測試挑戰

高速線(xiàn)纜在數據中心的應用

數據中心是現代信息社會(huì )的神經(jīng)中樞，承載著(zhù)海量數據的快速處理和安全存儲。在這樣的背景下，高速線(xiàn)纜在數據中心的應用顯得尤為關(guān)鍵。它們作為數據傳輸的橋梁，確保了服務(wù)器、存儲設備以及其他網(wǎng)絡(luò )設備之間的高速、穩定連接。通過(guò)使用高速線(xiàn)纜，數據中心能夠實(shí)現高效的數據交換，滿(mǎn)足日益增長(cháng)的數據處理需求。下面將詳細介紹高速線(xiàn)纜在數據中心的應用。

數據中心典型架構

大型數據中心是光互連技術(shù)和創(chuàng )新增長(cháng)最快的市場(chǎng)——由于機器對機器通信快速增長(cháng)，70% 的互聯(lián)網(wǎng)流量發(fā)生在數據中心內部。圖4展示了基于 CLOS 架構（也稱(chēng)為葉脊）的典型數據中心網(wǎng)絡(luò )結構。

圖 4. 典型超大規模數據中心的網(wǎng)絡(luò )架構

數據中心內部網(wǎng)絡(luò )從下到上通常分為三到四層。服務(wù)器到核心網(wǎng)的各層級之間存在各種互連，它們的長(cháng)度短則幾米，長(cháng)則數千米，因此需要采用不同的數據傳輸技術(shù)和接口標準。

服務(wù)器機柜/機架頂部（TOR）交換機 - 最下面一層的服務(wù)器機架與機柜頂部的 TOR 交換機相連。當今的數據中心通常部署 25G-40G 網(wǎng)絡(luò )，其中部分人工智能（AI）應用采用 100G-200G 速度。連接要么位于機柜內部，要么是在相鄰的機柜之間，其距離通常不超過(guò) 5米。目前使用的典型接口技術(shù)包括直連銅纜（DAC）和有源光纜（AOC）。隨著(zhù)速度向著(zhù) 400G 和 800G 升級，DAC的數據傳輸距離太短，需要改用有源電纜（AEC）。

TOR交換機到葉交換機 - 第二層互連是 TOR交換機與葉交換機之間的連接。這種互連的傳輸距離高達約 50 米。

葉到脊 - 葉到脊連接的連接距離高達 500 米，可以在單個(gè)園區或是相鄰的多個(gè)園區中使用。這種數據傳輸技術(shù)連接采用的接口速率與 TOR交換機到葉交換機連接類(lèi)似，在數據中心，400G交換機是主流。

脊到核心網(wǎng) - 當傳輸距離進(jìn)一步增加到2千米時(shí)，用戶(hù)開(kāi)始考慮光纖成本，因此通常會(huì )采用波分復用技術(shù)在一根光纖上通過(guò)不同的波長(cháng)光信號發(fā)送數據，目前使用的模塊包括 100GBASE-LR4、100G-CWDM4 和 400GBASE-ER4/-LR4/-FR4 等。

數據中心互連（DCI） - 相鄰的幾個(gè)數據中心通常采用這種數據傳輸方式來(lái)建立連接，從而實(shí)現負載平衡或災難恢復備份。傳輸距離可能從幾十千米到一百千米不等。更長(cháng)距離的傳輸采用的是密集波分復用技術(shù)，并在近年用相干通信替代了直接檢測技術(shù)。多年以來(lái)，電信運營(yíng)商在遠距離（數百千米）應用中部署的是 100G 相干技術(shù)。他們也在研究如何提高到 200、400、800G 技術(shù)的速度。DCI 的傳輸距離并不像電信應用那么遠，主要是點(diǎn)對點(diǎn)傳輸，因此可以使用外形和功耗都比較小的可插拔模塊（如 400G-ZR）來(lái)進(jìn)行相干傳輸。

高速線(xiàn)纜是什么？

高速線(xiàn)纜是一種專(zhuān)門(mén)設計用于高速數據傳輸的線(xiàn)纜，通常具有較高的傳輸速率和帶寬。?高速線(xiàn)纜在數據中心、云計算、大數據分析等領(lǐng)域有廣泛應用，能夠支持高速數據傳輸和大規模數據處理的需求。與普通線(xiàn)纜相比，高速線(xiàn)纜在材料和結構上有所不同，通常采用更先進(jìn)的材料和技術(shù)，以確保信號的穩定傳輸和抗干擾性能。此外，高速線(xiàn)纜還具有較低的延遲和較高的可靠性，能夠滿(mǎn)足現代高速網(wǎng)絡(luò )和計算環(huán)境的需求。

圖 5. 數據中心高速線(xiàn)纜圖

高速線(xiàn)纜特點(diǎn)

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高密度（多端口）：高速數據線(xiàn)纜通常使用差分結構，一個(gè)線(xiàn)束通常包含多對（Lane）線(xiàn)纜，這就需要測試儀表有更多的測試端口數。

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高速：隨著(zhù)224Gbps速率需求的爆發(fā)式增長(cháng)，高速線(xiàn)纜必須支持更高的數據傳輸速率。

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高頻：高頻線(xiàn)纜測試則涉及56GHz的生產(chǎn)測試和84GHz的研發(fā)測試。

想要測試這樣的高速線(xiàn)纜，核心要求有三個(gè)：精度，穩定性，效率。同時(shí)高速線(xiàn)纜測試參數的復雜度也在提高，包括差分S參數（如插損、回損、串擾）、插入損耗差異（ILD）和集成串擾噪聲（ICN）等。

圖6.用于數據中心的高速線(xiàn)纜舉例

在現代數據中心中，DAC（Direct Attach Cable）線(xiàn)纜和AOC（Active Optical Cable）線(xiàn)纜是兩種常見(jiàn)且重要的傳輸線(xiàn)纜類(lèi)型。雖然它們外觀(guān)相似，但在應用場(chǎng)景、性能和成本上卻有著(zhù)顯著(zhù)差異。

DAC高速線(xiàn)纜是什么？

DAC高速線(xiàn)纜（Direct Attach Cable）一般譯為直接電纜或直連銅纜，通常是以固定長(cháng)度采購、兩端帶有固定接頭的線(xiàn)纜組件，不可更換端口，模塊頭和銅纜不能分離。

DAC 高速線(xiàn)纜在數據中心的應用DAC高速線(xiàn)纜是一種用于在數據中心內連接服務(wù)器、存儲設備和網(wǎng)絡(luò )設備的高速電纜。它具有低延遲、高帶寬和低成本等優(yōu)點(diǎn)，因此在數據中心得到了廣泛的應用。DAC 高速線(xiàn)纜通常用于短距離的數據傳輸，例如在服務(wù)器機架內部或相鄰的機架之間。它可以替代傳統的光纖電纜，提供更高的帶寬和更低的延遲，從而提高數據中心的性能和效率。DAC 高速線(xiàn)纜還可以用于連接存儲設備，例如 SAN（存儲區域網(wǎng)絡(luò )）和 NAS（網(wǎng)絡(luò )附加存儲）。它可以提供更高的傳輸速度和更低的延遲，從而提高存儲設備的性能和可靠性。

高速傳輸是DAC高速線(xiàn)纜的最大優(yōu)勢之一。它支持高達100Gbps的數據傳輸速率，比傳統的銅纜快得多。這使得它能夠滿(mǎn)足數據中心對高速數據傳輸的需求，提高數據中心的效率和性能。

DAC高速線(xiàn)纜的優(yōu)勢是高性?xún)r(jià)比、高效能、高速率、高復合以及低損耗，主要包括以下四點(diǎn)：

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高性能：適用于數據中心的短距離布線(xiàn)，使用范圍廣，集成方案交換能力強。

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節能環(huán)保：高速線(xiàn)纜內部材質(zhì)是銅芯，銅纜的自然散熱效果好，節能環(huán)保。

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低功耗：高速線(xiàn)纜功耗低。由于無(wú)源電纜不需要電源；有源電纜耗電量一般在440mW左右。

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低成本：銅纜價(jià)格與光纖相比要低得多，使用高速線(xiàn)纜能夠大大降低整個(gè)數據中心的布線(xiàn)成本。

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支持熱插拔：支持熱插拔功能，可以在設備運行時(shí)進(jìn)行插拔操作，不需要關(guān)閉設備，提高了數據中心的靈活性和可擴展性。

圖7. DAC高速線(xiàn)纜圖片

AOC線(xiàn)纜是什么？

AOC線(xiàn)纜是（Active Optical Cables）有源光纜的簡(jiǎn)稱(chēng)，是指通信過(guò)程中需要借助外部能源，將電信號轉換成光信號，或將光信號轉換成電信號的通信線(xiàn)纜，光纜兩端的光收發(fā)器提供光電轉換以及光傳輸功能。AOC線(xiàn)纜的優(yōu)勢：

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帶寬更大：不需要設備升級，具有高達40Gbps的吞吐量。

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輕巧：比高速線(xiàn)纜輕巧很多。

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電磁干擾度低：由于光纖是一種電介質(zhì)，所以不容易受到電磁干擾的影響。

圖8. AOC線(xiàn)纜圖片

DAC線(xiàn)纜和AOC線(xiàn)纜區別是什么？

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傳輸介質(zhì)不同 - DAC線(xiàn)纜使用銅纜傳輸電信號，而AOC線(xiàn)纜則使用光纖傳輸光信號。

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功耗和傳輸距離不同 - AOC線(xiàn)纜功耗較高，但支持更遠的傳輸距離（可達100米）；DAC線(xiàn)纜功耗低，適合短距離傳輸（通常不超過(guò)10米）。

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應用場(chǎng)景不同 - DAC線(xiàn)纜常用于同一機柜內的設備互聯(lián)，而AOC線(xiàn)纜則適用于不同機柜之間的長(cháng)距離高速互聯(lián)。

選擇DAC線(xiàn)纜或AOC線(xiàn)纜？

在選擇使用DAC線(xiàn)纜或AOC線(xiàn)纜時(shí)，需要根據具體應用場(chǎng)景、性能要求和成本預算進(jìn)行判斷。DAC線(xiàn)纜因其低成本和低功耗，成為短距離互聯(lián)的首選。而AOC線(xiàn)纜則憑借其長(cháng)距離傳輸和抗電磁干擾的優(yōu)勢，廣泛應用于需要高速數據傳輸的場(chǎng)合。

不論是DAC線(xiàn)纜還是AOC線(xiàn)纜，在測試過(guò)程中都有不同的側重點(diǎn)：

DAC線(xiàn)纜測試

DAC線(xiàn)纜測試主要關(guān)注頻域參數（如S參數）、時(shí)域參數（TDR/TDT）以及多端口串擾評估。是德科技的矢量網(wǎng)絡(luò )分析儀（VNA）配合測試軟件解決方案能夠幫助您實(shí)現全面的多端口測試，并通過(guò)眼圖分析功能評估抖動(dòng)指標。

AOC線(xiàn)纜測試

因AOC線(xiàn)纜包含多個(gè)有源器件，如Retimer、CDR、O/E等，因此需采用時(shí)域響應激勵法，模擬真實(shí)傳輸環(huán)境下的信號傳輸狀況，并進(jìn)行抖動(dòng)、誤碼率等測試。

Keysight高速線(xiàn)纜測試解決方案

在數據中心邁向800G、1.6T的時(shí)代，選擇合適的傳輸線(xiàn)纜和連接器至關(guān)重要。是德科技提供的全面測試解決方案，從物理層到協(xié)議層，幫助客戶(hù)應對不斷升級的測試挑戰。無(wú)論您是在考慮DAC還是AOC，我們都能為您提供最合適的解決方案。

在高速線(xiàn)纜測試中，Keysight的解決方案結合了多種設計和測試工具，這些工具在高速數據傳輸中起著(zhù)至關(guān)重要的作用。

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首先，矢量網(wǎng)絡(luò )分析儀（VNA）是該方案的核心設備之一。VNA包括PXI 和臺式兩種類(lèi)型，主要用于測量S參數、插損、阻抗和串擾。這些參數對于評估電纜和連接器的性能至關(guān)重要。

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此外，矩陣開(kāi)關(guān)箱用于切換信號路徑，可以提高測試的靈活性和可擴展性。

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同時(shí)，設計和仿真軟件也是不可或缺的一部分，包括ADS、EMPro、PLTS和PathWave以及自動(dòng)化測試軟件等等。這些軟件工具可以幫助工程師在設計階段進(jìn)行精確的仿真和優(yōu)化，從而提高產(chǎn)品的性能和可靠性。

通過(guò)這些測試設備，系統能夠快速、準確地測量和驗證高速線(xiàn)纜的性能，滿(mǎn)足高速通信的需求確保高速傳輸的穩定性和可靠性。

圖9. Keysight高速線(xiàn)纜測試解決方案

多端口測試

多端口測試方案是Keysight高速線(xiàn)纜測試解決方案的一大亮點(diǎn)??。

多端口測試方案采用PXI模塊網(wǎng)分，每個(gè)PXI模塊都是一個(gè)完整的VNA，每塊網(wǎng)分板卡都有獨立的源、測量接收機和參考接收機，這意味著(zhù)可以在一個(gè)或多個(gè)PXIe機箱中級聯(lián)多個(gè)PXIe VNA板卡進(jìn)行并行測量，從而顯著(zhù)減少測試時(shí)間，提高測試效率。多端口網(wǎng)絡(luò )分析儀的配置靈活且可擴展，PXIe機箱可選配10槽機箱M9010A或18槽機箱M9019A。這種模塊化設計使得系統可以根據實(shí)際需求進(jìn)行擴展，從而提供更高的靈活性和可擴展性。

例如，Keysight的M980xA系列PXIe VNA是一個(gè)全2端口VNA，最高測試頻率53GHz，只占用一個(gè)PXIe插槽。同時(shí)也可選配4端口或6端口，頻率最高支持到20GHz，占用兩個(gè)PXI插槽。除去一個(gè)控制器槽位外，配合M9019A 18槽PXIe機箱，單個(gè)PXIe機箱中的17個(gè)2端口模塊可為您提供34個(gè)完整測試端口。因一對差分線(xiàn)纜測試需要4個(gè)端口，所以單個(gè)PXIe 機箱可以測試8對線(xiàn)纜。由于每個(gè)端口都有自己的源、參考和測試接收器，因此測量速度明顯加快。您還可以將模塊配置為多個(gè)獨立的Multi-site（多工位）配置。

如下圖，機箱中裝配了16塊板卡，每?jì)蓧K板卡可以作為一個(gè)站點(diǎn)（site）即一個(gè)全4端口網(wǎng)分使用，整個(gè)機箱可以提供8個(gè)工位，相對應的，可以打開(kāi)8個(gè)網(wǎng)分測試軟件，可支持8個(gè)測試員或8個(gè)被測件同時(shí)測試使用。配置的靈活性意味著(zhù)您可以輕松地更改設置以滿(mǎn)足您的測量需求并優(yōu)化吞吐量。

圖10. PXI網(wǎng)分多工位快速測試

PXI網(wǎng)分多工位方案測試時(shí)間如下：

除了PXI 網(wǎng)分外，臺式矢量網(wǎng)絡(luò )分析儀（VNA）也可以通過(guò)開(kāi)關(guān)或擴展測試集的方式實(shí)現測試端口數的擴展。

如下圖，開(kāi)關(guān)矩陣或擴展測試集可以通過(guò)軟件切換網(wǎng)絡(luò )分析儀信號路徑，按某種特定順序使用網(wǎng)分主機上的1、2、3、4端口進(jìn)行串行測試，這種方法可以減少設備的使用量，從而降低整體測試成本。此外，測試頻率>40GHz時(shí)，級聯(lián)開(kāi)關(guān)會(huì )降低系統動(dòng)態(tài)范圍，因此，可以采用Keysight高性能開(kāi)關(guān)以便在高頻率下保持較高的測試精度和穩定性。

圖11. 臺式網(wǎng)分+矩陣開(kāi)關(guān)箱的多端口測試方案

該解決方案還能提供信號完整性測試。

1. 物理層分析軟件（PLTS）

物理層分析軟件（PLTS）可以與是德科技的多種設備（示波器與網(wǎng)絡(luò )分析儀）進(jìn)行連接，完成物理層分析測試，并提供儀表的校準和測量向導。PLTS用于TDR/TDT、S參數、眼圖等高級數據分析。PLTS提供了先進(jìn)的數據分析手段、多端口校準和測量分析（SnP）以及高級校準技術(shù) (AFR，Delta-L，TRL 校準向導和差分串擾校準向導等)，可以幫助工程師更好地理解信號的傳輸特性，從而優(yōu)化設計。PLTS還支持各種主流信號完整性的測試方法和計算項目，如PAM-4眼圖分析、COM測試、預加重、均衡（CTLE、FFE、DFE、CTLE、FFE）、ILD、ICN等。這些測試方法和計算項目可以幫助工程師全面評估信號的完整性，從而優(yōu)化設計，提高產(chǎn)品的性能和可靠性。

2. 自動(dòng)夾具去除（AFR）功能

自動(dòng)夾具去除（AFR）是其中網(wǎng)絡(luò )分析儀校準技術(shù)中的一個(gè)功能，該功能是高速線(xiàn)纜測試解決方案中的一項重要功能。

為什么需要自動(dòng)夾具移除功能（AFR -Automatic Fixture Removal）？

許多器件沒(méi)有同軸連接器，因此在同軸環(huán)境中測量需要使用夾具固定或傳輸線(xiàn)轉換連接（例如，從同軸到PCB微帶線(xiàn)的轉換，用來(lái)測量背板傳輸線(xiàn)、高速連接器、表貼無(wú)源器件、有源器件（放大器，混頻器，）等等）。為了保證被測器件（DUT）的測量精度需要精確移除夾具效應。

自動(dòng)夾具移除選件，添加了功能強大的向導程序，引導您表征夾具并從測量結果中移除夾具效應，主要特點(diǎn)如下：

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可以更簡(jiǎn)單地從非同軸器件測量結果中去除夾具效應

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從 2x 直通或單端口測量結果中提取夾具的 S參數

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在向導程序的逐步引導下表征夾具，并去除測量結果中的夾具效應

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去嵌入文件可保存為多種格式，以便日后使用

自動(dòng)夾具移除（AFR）的要求：

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被移除的夾具，可以是完整的直通（Thru）或左邊和右邊各為直通（Thru）的一半，如下所示。

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測試夾具和Thru都由完全相同的介質(zhì)（轉接頭及電路基板材料等）制成；最好在同一塊介質(zhì)基板上制作。

自動(dòng)夾具移除AFR支持單端及差分、多端口和非標準50ohm的夾具去除。AFR提供了方便的向導式操作，支持不同長(cháng)度的夾具提?。▕A具提取時(shí)的夾具長(cháng)度可與測試時(shí)不同）；支持夾具與DUT阻抗不同，方法是分別測試夾具自身與實(shí)際DUT+夾具，改善DUT的阻抗匹配。AFR還支持在網(wǎng)分或PLTS上直接去嵌修正，支持輸出不同格式的夾具參數（PLTS格式，ADS格式，VNA格式）。

Keysight的高速線(xiàn)纜解決方案通過(guò)先進(jìn)的設計和測試工具，提供了高效、可靠的多端口測試方案，滿(mǎn)足了現代高速數據傳輸的需求。無(wú)論是在研發(fā)還是生產(chǎn)環(huán)境中，該解決方案都展現了其卓越的性能和靈活性。

總結

數據中心是推動(dòng)AI(人工智能)，機器學(xué)習發(fā)展的基石，而作為高速互連技術(shù)，高速線(xiàn)纜給AI數據中心提供了關(guān)鍵支持！不論是作為GPU集群，還是服務(wù)器、交換機的互連，高速線(xiàn)纜助力數據中心數據速率攀升，讓我們一起期待持續增長(cháng)的高速互連需求以及帶來(lái)的測試挑戰，Keysight 豐富的網(wǎng)分儀器產(chǎn)品、矩陣開(kāi)關(guān)、測試軟件和完整的高速線(xiàn)纜測試解決方案幫助您解決高速線(xiàn)纜及連接器在研發(fā)以及大批量生產(chǎn)的測試需求，確保產(chǎn)品良率。