中心議題:
- USB3.0系統(tǒng)設計
解決方案:
- 使用信號調(diào)節(jié)技術恢復信號質(zhì)量
- 信號裕度預算
- 高信號質(zhì)量推動成本的降低
- 雙向信號調(diào)節(jié)
- 有關時鐘和信號交換的問題
- 使用USB管理智能以節(jié)省耗電
USB是當今最成功的PC接口，安裝數(shù)量超過60億，在PC和接口設備上的普及率接近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SuperSpeed USB(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，而是使用更加復雜的雙向封包交換架構。
USB3.0系統(tǒng)設計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，設計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雜，因為USB2.0原本是為較低傳輸速率而設計。
產(chǎn)品設計師碰到最大的問題也許是達到消費者延續(xù)對上一代USB產(chǎn)品的低價期待。USB3.0使用了雙倍數(shù)據(jù)率技術，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、多個接口和PCB板上的長途線路上傳送高速信號，產(chǎn)品設計師必須謹慎處理信號衰減和抖動問題。
圖1：發(fā)送器端的開眼圖和接收器端的閉合眼圖。
信號裕度預算
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，因為在兼容性測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中，USB控制芯片到連接器的距離大約是10英寸，因此信號實際上可能另外經(jīng)過大約半米的路徑和數(shù)個連接器。
在一般的筆記本電腦至外圍設備的應用中，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英寸在接口設備中)，這將導致3.552dB的線路損耗(12英寸x0.296dB/英寸，使用9/10/9 FR4走線，2.5GHz信號速度，不包括任何PCB導通孔)。加上每一個連接器產(chǎn)生的-1dB損耗，通過兩個連接器產(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，也無法達到USB3.0規(guī)范要求的3米長度。
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產(chǎn)品制造商可以選擇使用高質(zhì)量的26AWG SDP線纜來通過認證測試，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)品上可以強調(diào)必須使用適當?shù)木€纜，但USB產(chǎn)品的使用者已經(jīng)習慣了在連接產(chǎn)品時不需擔心線纜的質(zhì)量。這里的關鍵問題，是當由于使用低質(zhì)量的線纜連接產(chǎn)品而造成產(chǎn)品效能低的時候，使用者會直覺地認為是產(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技術很難使用，將嚴重影響市場的成長。
圖2：與圖1相同，但在每個連接器端都有轉接驅動器。縮短(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)技術恢復信號質(zhì)量
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)技術恢復信號質(zhì)量
當信號質(zhì)量由于抖動(抖動)和衰減而下降時，可以采用信號調(diào)節(jié)器件恢復信號質(zhì)量。信號調(diào)節(jié)器件也被稱做轉接驅動器(redriver)，因為信號在被傳送之前重新被驅動(redriven)。轉接驅動器可以放在發(fā)送器和接收器之間，可以恢復、調(diào)節(jié)、再發(fā)送接收到的信號。
如果放在接收器之前，轉接驅動器可以有效打開信號眼圖的開口，從而將信號質(zhì)量恢復到可以接收的范圍內(nèi)。轉接驅動器可以調(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連接器的情況下提供干凈的信號傳送通道。信號可以恢復原有的強度再次傳送，就像是將信號通道拆成數(shù)個段落，并且在每個段落恢復信號的質(zhì)量。轉接驅動器也允許產(chǎn)品設計師依照特定的應用類型調(diào)整最佳的信號均衡效果，因此可以確保設備可以通過最嚴格的USB3.0認證要求。
信號調(diào)節(jié)功能可以增加信號裕度，讓產(chǎn)品設計工程師有更多的空間來擴展信號傳送距離，或更靈活地設計信號在PCB上傳送的路徑，特別是在可能要求使用較少層的PCB以達到更好的信號與接地隔離，或是有更大的機會一次設計就能通過驗證情況下。經(jīng)過改善的信號質(zhì)量不但可以給設計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，減少傳送錯誤，從而增加實際有效的信息吞吐量且讓系統(tǒng)工作更有效。
在設備需要經(jīng)常被連接和移除的消費應用中，自適應信號均衡功能有最好的效果，因為使用不同長度的線纜加上可以插拔的周邊設備內(nèi)部的信號布線，使整體的信號通路可隨時改變。例如，針對3米線纜優(yōu)化的信號均衡參數(shù)，應用在沒有線纜的USB移動存儲上時會損害信號的完整性。轉接驅動器通過持續(xù)的再適應(retraining)可以確保針對真正的信號路徑進行最佳化的調(diào)節(jié)。
相反，如果信號的路徑靜止不變，轉接驅動器就不需要使用再適應功能。在這種環(huán)境中，例如從來不需要移除任何線纜的服務器中，再適應功能有可能造成負面影響。在一個類似這種穩(wěn)定的應用中，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
轉接驅動器在接收器增加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)送器也放置轉接驅動器，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，并通過認證測試(表1)。
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增加信號均衡度可以讓信號在較長且便宜的線纜中傳送，可以讓消費者使用低價、有彈性、美觀和較細的線纜，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，使用轉接驅動器不但可確保產(chǎn)品按照預期工作，還可以降低產(chǎn)品的整體成本。雖然使用轉接驅動器會增加一個板上元件，但轉接驅動器只占極小的PCB面積(4平方毫米)，這在便攜式設備中非常重要。
靜電釋放(ESD)是使用轉接驅動器的另一個考慮。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，而且整個芯片組都有可能被損壞，造成整個系統(tǒng)無法使用。因為轉接驅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，轉接驅動器可以保護系統(tǒng)的控制芯片，在最壞的情況下只損失單個USB接口，讓系統(tǒng)的其他功能正常工作。
轉接驅動器必須有認知通訊協(xié)議的能力才能高效率地發(fā)揮信號平衡功能。由于轉接驅動器沒有設備身份識別ID，所以無法像USB終端設備一樣中止信息傳遞。如果轉接驅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，而不僅是回復和傳送信號。理想情況下，轉接驅動器將支持USB3.0規(guī)范定義的連續(xù)時間線性均衡技術，該技術與發(fā)送器期望遠端終端設備用來均衡信號的技術是相同的。最后，轉接驅動器必須在不被察覺的情況下工作，否則轉接驅動器之后的根設備(root device)將不會被辨認，即使這種情況在實驗室中可以工作，但在實際應用中則不行。
雙向信號調(diào)節(jié)
實現(xiàn)消費應用是使用者期待USB3.0的價格于USB2.0一樣。USB2.0的一個重要設計考慮是能以很便宜的價格進行生產(chǎn)，因此許多制造廠商會錯誤地認為可以用同樣的方式生產(chǎn)USB3.0設備。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。因為市場對低價的集線器和周邊設備的期待，將有制造商生產(chǎn)這些產(chǎn)品，并且使用高質(zhì)量的線纜達到通過認證測試所需要的結果。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)品有價格上的優(yōu)勢，但是當連接到只有接收器有信號調(diào)節(jié)功能的設備時，可能不能穩(wěn)定地工作。也就是說，這些設備可以穩(wěn)定地接收信號，但是當向這些次級產(chǎn)品傳送信號時卻出現(xiàn)性能明顯降低甚至出錯。舉例來說，一個外接硬盤因為不良的信號質(zhì)量，不斷發(fā)出接收器錯誤的信息，使用者會認為這是硬盤的問題，而不是用在其它產(chǎn)品時看起來沒有問題的低質(zhì)量線纜或是集線器設備的問題，這將導致退貨增加，損失贏利。
在每一個外接的連接器上都裝一個接收用的轉接驅動器，可以確保信號在進入和離開時都可以得到正確恢復。此外，如果也對傳送出去的信號做調(diào)節(jié)處理，就算其它設備沒有在接收器做信號調(diào)節(jié)，產(chǎn)品設計工程師也可以確保設備通過任何長度的線纜，并與其它設備互通。
市面上的轉接驅動器產(chǎn)品分單通道和雙通道兩種。雙通道轉接驅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)量設備的連接。單通道轉接驅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。
另一個使用轉接驅動器產(chǎn)品時的特點是電源電壓的靈活性。例如，服務器通常使用1.2V電壓，而PC使用3.3V電壓，一個可以選擇前面任一個電壓的轉接驅動器產(chǎn)品可以滿足兩個市場，因此可以用更大的整體出貨量來壓低價格。，此外，其內(nèi)置的LDO功能則可以節(jié)省一個外接的LDO元件。
有關時鐘和信號交換的問題
USB控制器芯片、器件、終端設備、集線器和內(nèi)置USB接口的處理器都需要一個準確可靠的時鐘源。時鐘信號在保持良好的SuperSpeed USB信號質(zhì)量方面扮演著非常重要的角色，因為當時鐘速度增加時，可用的抖動預算就減少了。
把時鐘技術看成一種陳舊的技術是一個常見誤解。事實上，時鐘技術(尤其是在高速度時)是極精密的技術。由于高速度時鐘比較昂貴，比較節(jié)省成本的方法是把較低速度的時鐘信號以數(shù)倍增加。但是，把低速度的時鐘信號數(shù)倍增加到高速度時，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)品設計師的挑戰(zhàn)是平衡輸入速度(等同價錢)和產(chǎn)生的抖動，因此時鐘緩沖器只能容許非常低的抖動，這樣當時鐘信號倍增時，不會產(chǎn)生過大的抖動。
同樣，USB交換器必須提供平滑轉換。比如，交換器可以減少擴展塢等實際應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
許多消費型USB3.0終端設備使用電池，因此USB3.0具有幾個新的省電模式，包括閑置(idle)、睡眠和暫停(suspend)模式。產(chǎn)品設計師可以利用這些新功能，關閉轉接驅動器信號電路以延長產(chǎn)品工作時間。
USB接口是雙通道，傳送和接收通道可以單獨開關。發(fā)送器的轉接驅動器的電源管理比較簡單，當沒有信號傳送時可以直接進入睡眠模式。USB有熱插拔的能力，管理接收器較為復雜，因為隨時都有可能接收信號，轉接驅動器必須具有支持復雜前端信號偵測能力的機制，才能保持器件的透明性。
當有連接到其它設備時，轉接驅動器可以更頻繁地利用電氣閑置閾值電壓(electrical idle threshold)來檢查是否有信號傳輸。當信號在閾值電壓下，表示沒有信號輸入，可以進入深層睡眠模式。這個閾值電壓一般是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的電子裝置，因此需要較高的敏感度來偵測信號。服務器應用中的USB3.0接口，因為使用較長的PCB布線，比較低的閾值電壓也是較好的選擇。
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USB3.0
熟悉PCI Express Gen 2的產(chǎn)品設計師，可能會比熟悉USB2.0更容易上手USB3.0設計，因為USB3.0和PCI Express Gen 2使用相似的鏈接初始化、封包結構和錯誤修復方式。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PCI Express Gen 2的相似之處會大大減少PCI Express Gen 2的應用，特別是因為USB3.0的信號傳輸量和不需要再次轉譯通訊協(xié)議到USB的特性。舉例來說，USB3.0已經(jīng)設計在擴充塢里，因為USB3.0不像PCI Express Gen 2信號需要再次轉換(需要使用HBA 或是PCI-USB控制器)。使用USB3.0擴充塢就將有集線器扇出信號的功能，因此可簡化整體架構并且減少成本。
USB是當今最普遍的消費電子產(chǎn)品通訊協(xié)議，與PCI Express相比占有強大的優(yōu)勢。因為USB3.0連接器和控制器必須向下支持USB2.0設備，從PCI Express Gen 2平臺轉向USB3.0的供應商可以立即進入這個龐大的市場。向下支持USB2.0協(xié)儀的確增加了設計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)難題都在芯片設計當中。
PCI Express Gen 2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器、儲存、嵌入式應用等。當然，這現(xiàn)存的優(yōu)勢的前提是PCI Express Gen 2仍是主要的內(nèi)置接口。
預計USB3.0將和其它新的和舊的接口規(guī)格競爭，如HDMI、DisplayPort、PCI Express、DVI等連接監(jiān)視器的接口。USB3.0有高的通道寬度和低的價格，當集成至芯片組之后，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，因為它們各自都有增加自己的應用范圍。比如，HDMI因為具有反向通道能力而在監(jiān)控攝像機市場具有影響力。但能預期的是，USB3.0將蠶食那些正在使用至少一個USB接口的其它通訊協(xié)議應用的市場占有率。
USB3.0在很多方面會改變電子市場的現(xiàn)狀，但為要達到高性能和穩(wěn)定性，必須使用信號調(diào)節(jié)產(chǎn)品來補償PCB、連接器、以及最重要的線纜信號損耗。消費應用無法接受用來保持信號完整性的高價的高速度元件，但也不能忍受信號完整性問題帶來的應用性能和可靠性下降。如果在發(fā)送器和接收器端使用轉接驅動器恢復信號質(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)品的設計不僅可以通過嚴格的USB3.0認證測試，也可以使用低質(zhì)量的線纜并與其它USB3.0設備具有很好的互操作性。
