- USB信號裕度預(yù)算
- USB信號調(diào)節(jié)技術(shù)
- USB3.0的應(yīng)用
- 使用信號調(diào)節(jié)技術(shù)恢復(fù)信號質(zhì)量
- 雙向信號調(diào)節(jié)
USB是當(dāng)今最成功的PC接口，安裝數(shù)量超過60億，在PC和接口設(shè)備上的普及率接近100%。雖然高速USB的480Mbps數(shù)據(jù)傳輸速度可滿足許多消費(fèi)者現(xiàn)有的需求，但是與日俱增需求(如高清視頻和更快速的數(shù)碼影音文件的下載)推動了SuperSpeedUSB(3.0)的發(fā)展。
一般接口的新一代規(guī)格，其數(shù)據(jù)傳輸速度通常要增加兩倍，而USB3.0的帶寬卻增加了十倍。此外，USB3.0規(guī)格不再使用簡單的主從式、封包廣播式的數(shù)據(jù)傳輸架構(gòu)，而是使用更加復(fù)雜的雙向封包交換架構(gòu)。
USB3.0系統(tǒng)設(shè)計(jì)師面臨的最主要挑戰(zhàn)是解決5Gbps信號傳輸速度所帶來的問題，設(shè)計(jì)師必須解決包括系統(tǒng)對信號衰減和抖動增加的敏感度等問題。此外，USB3.0對USB2.0接口的向下兼容性讓問題更復(fù)雜，因?yàn)閁SB2.0原本是為較低傳輸速率而設(shè)計(jì)。
產(chǎn)品設(shè)計(jì)師碰到最大的問題也許是達(dá)到消費(fèi)者延續(xù)對上一代USB產(chǎn)品的低價(jià)期待。USB3.0使用了雙倍數(shù)據(jù)率技術(shù)，將傳輸速率增加到最高5Gbps，因而需要高速信號完整性的解決方案。在最長可到3米的線纜、多個(gè)接口和PCB板上的長途線路上傳送高速信號，產(chǎn)品設(shè)計(jì)師必須謹(jǐn)慎處理信號衰減和抖動問題。
圖1：顯示了發(fā)送器端的開眼圖和接收器端的閉合眼圖。
信號裕度預(yù)算
與低速信號相比，高速度信號的質(zhì)量損失更加多，由PCB線路、連接器和線纜所造成的信號損耗累計(jì)起來將快速損害信號質(zhì)量。根據(jù)信號裕度的要求，USB3.0容許的通道損耗(由發(fā)送器眼圖到接收器的眼圖)在2.5GHz下為6~9dB。此外，SuperSpeed一般有-3.5dB的去加重，這樣全部的信號損耗預(yù)算為9.5~12.5dB。
為滿足兼容性要求，USB3.0信號必須可以通過3米長的線纜，并保持信號眼圖開口有足夠的寬度。但這只是部分的路徑，因?yàn)樵诩嫒菪詼y試中測量的是接收器經(jīng)過均衡化處理過后的信號。舉例來說，在一般的筆記本電腦架構(gòu)中，USB控制芯片到連接器的距離大約是10英寸，因此信號實(shí)際上可能另外經(jīng)過大約半米的路徑和數(shù)個(gè)連接器。
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在一般的筆記本電腦至外圍設(shè)備的應(yīng)用中，信號會經(jīng)過長于12英寸的PCB線路(10英寸線路在筆記本電腦中，2英寸在接口設(shè)備中)，這將導(dǎo)致3.552dB的線路損耗(12英寸x0.296dB/英寸，使用9/10/9FR4走線，2.5GHz信號速度，不包括任何PCB導(dǎo)通孔)。加上每一個(gè)連接器產(chǎn)生的-1dB損耗，通過兩個(gè)連接器產(chǎn)生的損耗一共是2dB，因此留給線纜的信號損耗預(yù)算只剩下5.948~8.948dB。有遮蔽差分信號對線纜、2.50GHz速度的信號衰減大約是在34AWG的4.4dB/m到26AWG的1.9dB/m范圍內(nèi)。表1列出了根據(jù)這些數(shù)字計(jì)算出的能符合USB3.0規(guī)范的SDP線纜的最大長度。表1中第三列到最后一列顯示，如果不使用信號調(diào)節(jié)產(chǎn)品，即便高質(zhì)量的28AWG線纜，也無法達(dá)到USB3.0規(guī)范要求的3米長度。
產(chǎn)品制造商可以選擇使用高質(zhì)量的26AWGSDP線纜來通過認(rèn)證測試，但是這種線纜非常貴，如果隨產(chǎn)品出貨，線纜的成本會大幅增加產(chǎn)品的成本。此外，即使隨產(chǎn)品出貨這種線纜，也無法保證使用者不會混用到其它低質(zhì)量的線纜。雖然在產(chǎn)品上可以強(qiáng)調(diào)必須使用適當(dāng)?shù)木€纜，但USB產(chǎn)品的使用者已經(jīng)習(xí)慣了在連接產(chǎn)品時(shí)不需擔(dān)心線纜的質(zhì)量。這里的關(guān)鍵問題，是當(dāng)由于使用低質(zhì)量的線纜連接產(chǎn)品而造成產(chǎn)品效能低的時(shí)候，使用者會直覺地認(rèn)為是產(chǎn)品的問題而不是線纜的問題。這可能會造成較高的產(chǎn)品退貨率，并且大幅減少采用USB3.0規(guī)格產(chǎn)品的早期利潤。另一個(gè)影響新科技采用率的重要因素是使用的困難度，如果使用者感覺USB3.0技術(shù)很難使用，將嚴(yán)重影響市場的成長。
圖2：與圖1相同，但在每個(gè)連接器端都有轉(zhuǎn)接驅(qū)動器?？s短(drop)“信號通道”。顯示了發(fā)送器端的開眼圖和接收器端的閉合眼圖。
使用信號調(diào)節(jié)技術(shù)恢復(fù)信號質(zhì)量
當(dāng)信號質(zhì)量由于抖動(抖動)和衰減而下降時(shí)，可以采用信號調(diào)節(jié)器件恢復(fù)信號質(zhì)量。信號調(diào)節(jié)器件也被稱做轉(zhuǎn)接驅(qū)動器(redriver)，因?yàn)樾盘栐诒粋魉椭爸匦卤或?qū)動(redriven)。轉(zhuǎn)接驅(qū)動器可以放在發(fā)送器和接收器之間，可以恢復(fù)、調(diào)節(jié)、再發(fā)送接收到的信號。
如果放在接收器之前，轉(zhuǎn)接驅(qū)動器可以有效打開信號眼圖的開口，從而將信號質(zhì)量恢復(fù)到可以接收的范圍內(nèi)。轉(zhuǎn)接驅(qū)動器可以調(diào)節(jié)信號、使用信號均衡的功能減少信號衰減和抖動，因此可以在更長的距離和通過多個(gè)連接器的情況下提供干凈的信號傳送通道。信號可以恢復(fù)原有的強(qiáng)度再次傳送，就像是將信號通道拆成數(shù)個(gè)段落，并且在每個(gè)段落恢復(fù)信號的質(zhì)量。轉(zhuǎn)接驅(qū)動器也允許產(chǎn)品設(shè)計(jì)師依照特定的應(yīng)用類型調(diào)整最佳的信號均衡效果，因此可以確保設(shè)備可以通過最嚴(yán)格的USB3.0認(rèn)證要求。
信號調(diào)節(jié)功能可以增加信號裕度，讓產(chǎn)品設(shè)計(jì)工程師有更多的空間來擴(kuò)展信號傳送距離，或更靈活地設(shè)計(jì)信號在PCB上傳送的路徑，特別是在可能要求使用較少層的PCB以達(dá)到更好的信號與接地隔離，或是有更大的機(jī)會一次設(shè)計(jì)就能通過驗(yàn)證情況下。經(jīng)過改善的信號質(zhì)量不但可以給設(shè)計(jì)工程師帶來信號鏈上更多的靈活度和選擇，也可以因較低的比特誤碼率而增加產(chǎn)品穩(wěn)定性，減少傳送錯(cuò)誤，從而增加實(shí)際有效的信息吞吐量且讓系統(tǒng)工作更有效。
在設(shè)備需要經(jīng)常被連接和移除的消費(fèi)應(yīng)用中，自適應(yīng)信號均衡功能有最好的效果，因?yàn)槭褂貌煌L度的線纜加上可以插拔的周邊設(shè)備內(nèi)部的信號布線，使整體的信號通路可隨時(shí)改變。例如，針對3米線纜優(yōu)化的信號均衡參數(shù)，應(yīng)用在沒有線纜的USB移動存儲上時(shí)會損害信號的完整性。轉(zhuǎn)接驅(qū)動器通過持續(xù)的再適應(yīng)(retraining)可以確保針對真正的信號路徑進(jìn)行最佳化的調(diào)節(jié)。
相反，如果信號的路徑靜止不變，轉(zhuǎn)接驅(qū)動器就不需要使用再適應(yīng)功能。在這種環(huán)境中，例如從來不需要移除任何線纜的服務(wù)器中，再適應(yīng)功能有可能造成負(fù)面影響。在一個(gè)類似這種穩(wěn)定的應(yīng)用中，可配置的信號均衡功能是最好的選擇。
表1：滿足USB3.0規(guī)范的最大線纜長度。
高信號質(zhì)量推動成本的降低
轉(zhuǎn)接驅(qū)動器在接收器增加6dB的信號均衡度，可以大幅增加信號在SDP線纜的傳送距離，因此可以幫助解決線纜方面的困擾。如果在發(fā)送器也放置轉(zhuǎn)接驅(qū)動器，總共可以增加12dB的信號均衡度，可以確保信號在超過3米的34AWG線纜中傳送，并通過認(rèn)證測試(表1)。
增加信號均衡度可以讓信號在較長且便宜的線纜中傳送，可以讓消費(fèi)者使用低價(jià)、有彈性、美觀和較細(xì)的線纜，而無需為減少信號損耗而購買較粗且昂貴的高質(zhì)量線纜。因此，如果考慮線纜的成本，使用轉(zhuǎn)接驅(qū)動器不但可確保產(chǎn)品按照預(yù)期工作，還可以降低產(chǎn)品的整體成本。雖然使用轉(zhuǎn)接驅(qū)動器會增加一個(gè)板上元件，但轉(zhuǎn)接驅(qū)動器只占極小的PCB面積(4平方毫米)，這在便攜式設(shè)備中非常重要。
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靜電釋放(ESD)是使用轉(zhuǎn)接驅(qū)動器的另一個(gè)考慮。為降低系統(tǒng)的成本，USB接口很有可能被集成到主要的芯片組中，這樣不但USB接口控制器件對ESD沒有防備，而且整個(gè)芯片組都有可能被損壞，造成整個(gè)系統(tǒng)無法使用。因?yàn)檗D(zhuǎn)接驅(qū)動器芯片位于連接器與發(fā)送器/接收器之間，所以可以隔絕內(nèi)置USB接口的芯片組。如果有ESD事件發(fā)生，轉(zhuǎn)接驅(qū)動器可以保護(hù)系統(tǒng)的控制芯片，在最壞的情況下只損失單個(gè)USB接口，讓系統(tǒng)的其他功能正常工作。
轉(zhuǎn)接驅(qū)動器必須有認(rèn)知通訊協(xié)議的能力才能高效率地發(fā)揮信號平衡功能。由于轉(zhuǎn)接驅(qū)動器沒有設(shè)備身份識別ID，所以無法像USB終端設(shè)備一樣中止信息傳遞。如果轉(zhuǎn)接驅(qū)動器可以辨識通訊協(xié)議，便可支持接收器偵測和電氣閑置等功能，而不僅是回復(fù)和傳送信號。理想情況下，轉(zhuǎn)接驅(qū)動器將支持USB3.0規(guī)范定義的連續(xù)時(shí)間線性均衡技術(shù)，該技術(shù)與發(fā)送器期望遠(yuǎn)端終端設(shè)備用來均衡信號的技術(shù)是相同的。最后，轉(zhuǎn)接驅(qū)動器必須在不被察覺的情況下工作，否則轉(zhuǎn)接驅(qū)動器之后的根設(shè)備(rootdevice)將不會被辨認(rèn)，即使這種情況在實(shí)驗(yàn)室中可以工作，但在實(shí)際應(yīng)用中則不行。
雙向信號調(diào)節(jié)
實(shí)現(xiàn)消費(fèi)應(yīng)用是使用者期待USB3.0的價(jià)格于USB2.0一樣。USB2.0的一個(gè)重要設(shè)計(jì)考慮是能以很便宜的價(jià)格進(jìn)行生產(chǎn)，因此許多制造廠商會錯(cuò)誤地認(rèn)為可以用同樣的方式生產(chǎn)USB3.0設(shè)備。此外，必須降低成本的壓力將使制造商考慮使用低質(zhì)量線纜，或是讓接收器解決信號調(diào)節(jié)問題等快捷方式。因?yàn)槭袌鰧Φ蛢r(jià)的集線器和周邊設(shè)備的期待，將有制造商生產(chǎn)這些產(chǎn)品，并且使用高質(zhì)量的線纜達(dá)到通過認(rèn)證測試所需要的結(jié)果。但是，一般的使用者卻希望使用任何的USB線纜，系統(tǒng)都能穩(wěn)定工作。
在這種情況下，有責(zé)任心的制造廠商不得不面對市場上充斥著次級產(chǎn)品的問題：這些產(chǎn)品有價(jià)格上的優(yōu)勢，但是當(dāng)連接到只有接收器有信號調(diào)節(jié)功能的設(shè)備時(shí)，可能不能穩(wěn)定地工作。也就是說，這些設(shè)備可以穩(wěn)定地接收信號，但是當(dāng)向這些次級產(chǎn)品傳送信號時(shí)卻出現(xiàn)性能明顯降低甚至出錯(cuò)。舉例來說，一個(gè)外接硬盤因?yàn)椴涣嫉男盘栙|(zhì)量，不斷發(fā)出接收器錯(cuò)誤的信息，使用者會認(rèn)為這是硬盤的問題，而不是用在其它產(chǎn)品時(shí)看起來沒有問題的低質(zhì)量線纜或是集線器設(shè)備的問題，這將導(dǎo)致退貨增加，損失贏利。
在每一個(gè)外接的連接器上都裝一個(gè)接收用的轉(zhuǎn)接驅(qū)動器，可以確保信號在進(jìn)入和離開時(shí)都可以得到正確恢復(fù)。此外，如果也對傳送出去的信號做調(diào)節(jié)處理，就算其它設(shè)備沒有在接收器做信號調(diào)節(jié)，產(chǎn)品設(shè)計(jì)工程師也可以確保設(shè)備通過任何長度的線纜，并與其它設(shè)備互通。
市面上的轉(zhuǎn)接驅(qū)動器產(chǎn)品分單通道和雙通道兩種。雙通道轉(zhuǎn)接驅(qū)動器在接收和傳送信號通道都具有信號調(diào)節(jié)的功能，因此可以確保與沒有接收信號調(diào)節(jié)功能的低質(zhì)量設(shè)備的連接。單通道轉(zhuǎn)接驅(qū)動器具有可以分開調(diào)節(jié)接收和傳送信號路徑的靈活性。
另一個(gè)使用轉(zhuǎn)接驅(qū)動器產(chǎn)品時(shí)的特點(diǎn)是電源電壓的靈活性。例如，服務(wù)器通常使用1.2V電壓，而PC使用3.3V電壓，一個(gè)可以選擇前面任一個(gè)電壓的轉(zhuǎn)接驅(qū)動器產(chǎn)品可以滿足兩個(gè)市場，因此可以用更大的整體出貨量來壓低價(jià)格。，此外，其內(nèi)置的LDO功能則可以節(jié)省一個(gè)外接的LDO元件。
有關(guān)時(shí)鐘和信號交換的問題
USB控制器芯片、器件、終端設(shè)備、集線器和內(nèi)置USB接口的處理器都需要一個(gè)準(zhǔn)確可靠的時(shí)鐘源。時(shí)鐘信號在保持良好的SuperSpeedUSB信號質(zhì)量方面扮演著非常重要的角色，因?yàn)楫?dāng)時(shí)鐘速度增加時(shí)，可用的抖動預(yù)算就減少了。
把時(shí)鐘技術(shù)看成一種陳舊的技術(shù)是一個(gè)常見誤解。事實(shí)上，時(shí)鐘技術(shù)(尤其是在高速度時(shí))是極精密的技術(shù)。由于高速度時(shí)鐘比較昂貴，比較節(jié)省成本的方法是把較低速度的時(shí)鐘信號以數(shù)倍增加。但是，把低速度的時(shí)鐘信號數(shù)倍增加到高速度時(shí)，所產(chǎn)生的抖動也會以同樣倍數(shù)放大，從而占用了有限的信號裕度。產(chǎn)品設(shè)計(jì)師的挑戰(zhàn)是平衡輸入速度(等同價(jià)錢)和產(chǎn)生的抖動，因此時(shí)鐘緩沖器只能容許非常低的抖動，這樣當(dāng)時(shí)鐘信號倍增時(shí)，不會產(chǎn)生過大的抖動。
同樣，USB交換器必須提供平滑轉(zhuǎn)換。比如，交換器可以減少擴(kuò)展塢等實(shí)際應(yīng)用中使用的信號接口，降低成本。通過保持低電阻和低阻抗，交換器可以保持低的輸入信號損耗，不讓信號的瑕疵反饋到發(fā)送器，從而保持信號完整性。
使用USB管理智能以節(jié)省耗電
許多消費(fèi)型USB3.0終端設(shè)備使用電池，因此USB3.0具有幾個(gè)新的省電模式，包括閑置(idle)、睡眠和暫停(suspend)模式。產(chǎn)品設(shè)計(jì)師可以利用這些新功能，關(guān)閉轉(zhuǎn)接驅(qū)動器信號電路以延長產(chǎn)品工作時(shí)間。
USB接口是雙通道，傳送和接收通道可以單獨(dú)開關(guān)。發(fā)送器的轉(zhuǎn)接驅(qū)動器的電源管理比較簡單，當(dāng)沒有信號傳送時(shí)可以直接進(jìn)入睡眠模式。USB有熱插拔的能力，管理接收器較為復(fù)雜，因?yàn)殡S時(shí)都有可能接收信號，轉(zhuǎn)接驅(qū)動器必須具有支持復(fù)雜前端信號偵測能力的機(jī)制，才能保持器件的透明性。
當(dāng)有連接到其它設(shè)備時(shí)，轉(zhuǎn)接驅(qū)動器可以更頻繁地利用電氣閑置閾值電壓(electricalidlethreshold)來檢查是否有信號傳輸。當(dāng)信號在閾值電壓下，表示沒有信號輸入，可以進(jìn)入深層睡眠模式。這個(gè)閾值電壓一般是100mV，但如果想要增加通過長距離線纜傳送的低電壓信號的敏感度，可以將它調(diào)節(jié)到更低的60mV。例如，數(shù)碼電視的USB接口可能連接其它非常遠(yuǎn)的電子裝置，因此需要較高的敏感度來偵測信號。服務(wù)器應(yīng)用中的USB3.0接口，因?yàn)槭褂幂^長的PCB布線，比較低的閾值電壓也是較好的選擇。
USB3.0
熟悉PCIExpressGen2的產(chǎn)品設(shè)計(jì)師，可能會比熟悉USB2.0更容易上手USB3.0設(shè)計(jì)，因?yàn)閁SB3.0和PCIExpressGen2使用相似的鏈接初始化、封包結(jié)構(gòu)和錯(cuò)誤修復(fù)方式。此外，這兩種通訊協(xié)議使用完全相同的發(fā)送和接收模塊和單元，包括加擾碼、8b/10b編碼、串行器/解串器等。
USB3.0和PCIExpressGen2的相似之處會大大減少PCIExpressGen2的應(yīng)用，特別是因?yàn)閁SB3.0的信號傳輸量和不需要再次轉(zhuǎn)譯通訊協(xié)議到USB的特性。舉例來說，USB3.0已經(jīng)設(shè)計(jì)在擴(kuò)充塢里，因?yàn)閁SB3.0不像PCIExpressGen2信號需要再次轉(zhuǎn)換(需要使用HBA或是PCI-USB控制器)。使用USB3.0擴(kuò)充塢就將有集線器扇出信號的功能，因此可簡化整體架構(gòu)并且減少成本。
USB是當(dāng)今最普遍的消費(fèi)電子產(chǎn)品通訊協(xié)議，與PCIExpress相比占有強(qiáng)大的優(yōu)勢。因?yàn)閁SB3.0連接器和控制器必須向下支持USB2.0設(shè)備，從PCIExpressGen2平臺轉(zhuǎn)向USB3.0的供應(yīng)商可以立即進(jìn)入這個(gè)龐大的市場。向下支持USB2.0協(xié)儀的確增加了設(shè)計(jì)USB3.0產(chǎn)品的難度，但由于USB2.0和USB3.0共享連接器，所以大多數(shù)難題都在芯片設(shè)計(jì)當(dāng)中。
PCIExpressGen2仍然在明確的芯片外接口占有一席之地，包括處理器的內(nèi)部總線接口和其它的服務(wù)器、儲存、嵌入式應(yīng)用等。當(dāng)然，這現(xiàn)存的優(yōu)勢的前提是PCIExpressGen2仍是主要的內(nèi)置接口。
預(yù)計(jì)USB3.0將和其它新的和舊的接口規(guī)格競爭，如HDMI、DisplayPort、PCIExpress、DVI等連接監(jiān)視器的接口。USB3.0有高的通道寬度和低的價(jià)格，當(dāng)集成至芯片組之后，沒有理由不會用來連接監(jiān)視器。USB3.0不會完全取代HDMI和DisplayPort通訊協(xié)議，因?yàn)樗鼈兏髯远加性黾幼约旱膽?yīng)用范圍。比如，HDMI因?yàn)榫哂蟹聪蛲ǖ滥芰Χ诒O(jiān)控?cái)z像機(jī)市場具有影響力。但能預(yù)期的是，USB3.0將蠶食那些正在使用至少一個(gè)USB接口的其它通訊協(xié)議應(yīng)用的市場占有率。
USB3.0在很多方面會改變電子市場的現(xiàn)狀，但為要達(dá)到高性能和穩(wěn)定性，必須使用信號調(diào)節(jié)產(chǎn)品來補(bǔ)償PCB、連接器、以及最重要的線纜信號損耗。消費(fèi)應(yīng)用無法接受用來保持信號完整性的高價(jià)的高速度元件，但也不能忍受信號完整性問題帶來的應(yīng)用性能和可靠性下降。如果在發(fā)送器和接收器端使用轉(zhuǎn)接驅(qū)動器恢復(fù)信號質(zhì)量，工程師可以保持良好的信號裕度，以便用更長的線纜，或使PCB布線有更高的靈活性。他們也將確保產(chǎn)品的設(shè)計(jì)不僅可以通過嚴(yán)格的USB3.0認(rèn)證測試，也可以使用低質(zhì)量的線纜并與其它USB3.0設(shè)備具有很好的互操作性。
