使用轉接驅動器延伸高傳輸量 USB 3.0 纜線的範圍

資料提供者:Digi-Key 北美編輯群

當主機和周邊裝置距離很近時,最新版的 USB 能提供高達 2.5 GB/s 的速率。當 USB 的使用距離較長時,設計人員必須設法處理訊號衰減的問題,維持 USB 宣稱的數據傳輸率。

雖然可以採用等化、加強和 DC 增益技術,但 USB 轉接驅動器能讓設計人員獲得更佳效果且更快讓設計上市。USB 轉接驅動器是整合式元件,包含處理訊號衰減所需的所有電子零件。

本文將說明轉接驅動器的運作,並介紹幾項樣品元件和其使用方式。

USB 可以延伸,但需付出代價

USB 規格當初在制定時,假設連接的裝置距離僅在數公尺內,例如連接電腦與外接式硬碟。USB 3.0 規格聲明纜線長度應限制在 3 m 內,才能維持訊號的完整性。USB 3.0 技術相當成功,因此即使在實際情況下必須使用更長的纜線,卻也採用此技術。例如大型店面利用此技術連接伺服器與整個店內裝設的多個顯示面板。

不過,高速 USB 常收發高頻訊號,若同時使用較長的纜線,可能會產生一些問題而影響訊號的完整性,例如通道插入損耗、串音、符際干擾 (ISI),以及隨之造成的傳輸量降低。

USB 系統設計人員可利用幾項技術來克服訊號衰減的問題。例如,等化和加強技術可限制通道插入損耗和 ISI 的影響,提升 DC 增益則有助於克服串音造成的損耗。

然而,設計訊號調整電路會增加 USB 系統的複雜性,並且由於 USB 技術使用單獨的訊號對進行發送和接收,所需的電路加倍,因此使得挑戰更加難以應對。USB 轉接驅動器能助設計人員一臂之力。

造成訊號衰減的原因

高速 USB 的訊號衰減問題並不是該技術獨有的挑戰,所有採用高速通訊連結的產品,其設計人員也經常面臨這種問題。訊號衰減問題也不是長纜線 USB 安裝所特有的,但由於短纜線中的訊號衰減較少,因此問題較小。

高速通訊系統訊號衰減的原因,主要是插入損耗、串音和符際干擾 (ISI) 的綜合結果。

插入損耗是由纜線造成的訊號功率衰減的結果,與纜線長度成比例。串音是鄰近的訊號載波發生電容性、電感性或導電性「耦合」,影響兩者的訊號完整性。符際干擾 (ISI) 是指一個符號 (一種承載資料並根據載波頻率重複承載的離散訊號) 干擾前一個符號,造成更大的雜訊和失真。ISI 與載波頻率成比例 (因為在較高的頻率下,訊號之間的時間間隙會縮短),也與纜線長度成比例 (因為使用較長的纜線時,訊噪比會降低)。雜訊是訊號中未承載任何有用資訊的部分。

高速 USB 系統中也會有一定程度的確定性和隨機性抖動,該抖動稍微偏離訊號的標稱週期,會損害訊號的完整性。系統通訊頻率越高,抖動的影響越大。

克服訊號衰減問題

高速通訊系統難免都會發生訊號衰減的問題,只有在訊噪比 (SNR) 低到接收器無法解碼某些傳輸的資料時,才需要特別處理,因為此時傳輸量會受到影響,甚至於無法成功通訊。

工程師已開發出四種提高訊噪比 (或執行「訊號調整」) 的技術,來改善高速通訊系統的傳輸量:

  • 加強/解加強:放大最可能受雜訊影響的傳輸頻率,並在接收器端將其解加強,以重新建構原始的訊號。
  • 等化:使用濾波來確保接收的訊號符合傳輸訊號的頻率特性,讓整條纜線的頻率響應能有效保持平直。
  • DC 增益:可補償給定長度纜線的線性衰減。
  • 輸出擺幅控制:能配置 USB 差動電壓,確保符合 0.8 至 1.2 V 的規格要求。

要將某特定配置的通訊最佳化,需經過大量的測試,才能決定在此操作條件下需要的等化量、加強量、DC 增益量和輸出擺盪控制量。接著可利用此資訊在運作期間適應性地改變每個參數,以便維持理想的訊號。然而,自適應訊號調整除了對最關鍵的通訊系統有用,對其他所有系統而言都是不切實際的。

使用被動訊號調整時,只要進行單一設置就能滿足所有的運作條件,能以低上許多的成本達到合理的結果。缺點是此方法無法確保每次都達到最佳條件。設計人員可以針對消費者的應用,提供特定長度的纜線 (纜線經測試能用於該設計),或指明纜線的最大長度,滿足消費者的需求。

無論是從 USB 主機 (微處理器) 到轉接驅動通道,還是從轉接驅動器到周邊裝置通道 (透過連接器和纜線),都需要進行訊號調整。一般而言,每一端都需要不同的訊號調整參數。

轉接驅動器的設計

要對 USB 通道執行透通式 (對資料傳輸沒有影響) 訊號調整,USB 轉接驅動器是一種方便且成本相對較低的方式。Diodes Incorporated PI3EQX1001XUAEX 是 10 Gbit/s 單通道 USB 3.1 線性轉接驅動器,可將高速 USB 訊號恢復成端點元件接收前的原始狀態 (圖 1)。

Diodes Incorporated 的 PI3EQX1001XUAEX USB 轉接驅動器圖

圖 1:Diodes Incorporated 的 PI3EQX1001XUAEX USB 轉接驅動器是恢復長纜線中訊號完整性的便捷方式。(圖片來源:Diodes Incorporated)

由於轉接驅動器允許執行許多種配置參數,因此晶片可以安裝在主機 USB 電路板上盡可能接近連接器的位置,或是安裝在纜線的遠端,靠近周邊裝置或端點裝置的連接器 (如圖 1 所示)。然而,大多數應用都將轉接驅動器用在纜線的主機 USB 端。

電路板走線的設計應符合高速訊號設計的最佳實務準則。例如,走線應該是匹配的、阻抗經過控制的差動對。佈線應避免使用通孔和急彎 (角度應保持在 135˚ 以上),而且走線應佈設於堅硬地面且無切割與分裂,以避免阻抗不連續 (圖 2)。

將 USB 主機連接至轉接驅動器和連接器的走線示意圖

圖 2:將 USB 主機連接至轉接驅動器和連接器的走線,應採用高速訊號設計的最佳實務作法。例如,彎折角度需限制在 1350 以上,以便限制干擾。(圖片來源:Texas Instruments)

組裝好電路板和元件之後,開發人員就可以配置訊號調整參數,以符合某特定通道的特性。

當代產品的其中一例為 NXP SemiconductorsPTN36043BXY USB 3.0 轉接驅動器。該晶片是一款 2 轉 1 主動開關,體積小巧、功率低,並具有雙差動通道和內建式 USB 3.0 轉接驅動器。該開關可將兩個差動訊號指引到兩個位置之一,並能將串音降到最低 (圖 3)。

NXP Semiconductors 的 USB 3.0 轉接驅動器示意圖

圖 3:NXP Semiconductors 的 USB 3.0 轉接驅動器整合了加強、等化、DC 增益以及輸出擺幅控制。傳輸和接收線路需要進行單獨的控制,因為纜線的特性隨著每個方向而有所不同。這款轉接驅動器主要是搭配 USB Type-C 連接器使用,因此在連接器端具有雙重收發雙絞線。(圖片來源:NXP Semiconductors)

使用 NXP USB 3.0 轉接驅動器時,開發人員能為每個通道 (USB 主機至轉接驅動器;轉接驅動器至周邊裝置) 調整加強/解加強、等化和輸出擺幅效果。此外,該元件還能藉由加強 DC 增益來補償纜線衰減。

每個通道都連接到兩個控制引腳,因此設計人員能為特定的設置選取訊號調整參數。對於每個通道上的 TX/RX 線路,有九種訊號調整組合可供開發人員選擇 (見下表)。

CH1_SET1 CH1_SET2 RX_AP_± 解加強 RX_AP_± 輸出擺幅 TX_AP_± 等化器
-3.9 dB 1100 mV 3.0 dB
開路 -3.5 dB 900 mV 3.0 dB
0 dB 1100 mV 3.0 dB
開路 0 dB 900 mV 3.0 dB
開路 -3.9 dB 1100 mV 0 dB
-3.5 dB 900 mV 0 dB
0 dB 1100 mV 0 dB
開路 0 dB 900 mV 0 dB
-5.3 dB 1100 mV 6.0 dB

表格:使用 NXP 轉接驅動器時,USB 主機至轉接驅動器通道的 TX/RX 線路有九種訊號調整參數可供開發人員選擇。轉接驅動器至周邊裝置通道也有類似的選項。(表格來源:NXP Semiconductors)

評估轉接驅動器設計

必須在一系列的操作狀況下對原型設計進行評估,以便確定加強、等化、DC 增益和輸出擺幅控制的最佳量。現有的評估套件讓設計人員的工作變得更加容易。

例如,Texas Instruments 提供了 USB-REDRIVER-EVM USB 3.0 轉接驅動器評估模組 (EVM) (圖 4)。此模組是以該公司的 TUSB501DRFR USB 3.0、3.3 V 單通道轉接驅動器為基礎。

Texas Instruments 的 USB 3.0 轉接驅動器評估模組圖片

圖 4:TI 的 USB 3.0 轉接驅動器評估模組,可讓開發人員利用一系列的配置進行實驗,讓設計達到最佳的訊號完整性。(圖片來源:Texas Instruments)

USB 系統啟動後,TUSB501 會定期在 TX 對上執行接收器偵測。如果偵測到 SuperSpeed USB 接收器,會啟用 RX 端子,TUSB501 也隨時能進行轉接驅動。

該晶片具有接收器等化器,並有三個由 EQ 引腳控制的增益設定 (3、6、9 dB)。該晶片也支援在 DE 和 OS 引腳上進行解加強和輸出擺盪。解加強值取決於選擇的輸出擺幅。當輸出擺幅設定為「低」時,解加強可設定在 0 和 -6.2 dB 之間。當設定為「高」時,EM 支援 -2.6 至 -8.3 dB 的解加強。

EVM 是一種 USB 硬體鎖,當中有兩個 TUSB501 轉接驅動器 (外加第三個 USB 2.0 轉接驅動器)。硬體鎖由 USB 主機 VBUS 引腳供電,並將供應電壓傳送到下游連接埠,以便為周邊裝置供電。

EM 上的其中一個 TUSB501 轉接驅動器會強化主機 TX 線,另一個則會加強 RX 線。預設的等化與解加強值經過配置,為使用 3 至 5 m 長纜線和 20 至 25 cm 電路板走線傳送和接收資料的 USB 3.0 系統所需的值。選取合適的電阻則能達到 DC 增益。

利用 EVM,開發人員可以測試轉接驅動器配置參數的變化將如何影響高速 USB 系統 TX 和 RX 對的訊號完整性。EVM 也用作公版設計,可針對任何預期應用進行修改。EVM 還配有 USB Type-A 插頭和插座。

測試連接 USB 轉接驅動器的系統

測試實體系統時,要記得轉接驅動器會修改 USB 的訊號,因此也會成為系統的抖動來源。應該測量此抖動,檢查其對訊號調整設置的影響。

TI 建議測試的系統應採用 3 m 的纜線,和一塊擁有 24 in 走線的主機 USB 電路板,並讓轉接驅動器和連接器彼此距離 4 in。纜線遠端所使用的周邊裝置,是一塊採用 1 至 6 in 走線的電路板 (圖 5)。

針對使用 Texas Instruments TUSB501 轉接驅動器的高速 USB 的抖動測試設置圖片

圖 5:針對使用 TUSB501 轉接驅動器的高速 USB 的抖動測試設置。此設置呈現在一些應用中,像是以 3 m 纜線將 PC 連接至周邊隨身碟。(圖片來源:Texas Instruments)

理想的設計將會是零抖動,並可確保在高到低/低到高轉換之後立即完整套用補償 (例如解加強)。但由於這難以達成,TI 建議設計成限制抖動,以便在轉換的 200 ps 內套用完整補償 (圖 6)。

使用轉接驅動器的高速 USB 系統中的抖動示意圖

圖 6:應限制使用轉接驅動器的高速 USB 系統中的抖動,以便在訊號轉換的 200 ps 內套用完整補償。(圖片來源:Texas Instruments)

結論

USB 3.0 原本是用於最長 2 m 的纜線,但許多現代應用都使用更長的纜線。由於此技術會進行高頻訊號收發,因此將纜線延長到 3 m 以上會引入訊號完整性問題,進而影響傳輸量。便宜小巧的 USB 3.0 轉接驅動器提供了相對簡單的解決方案,讓開發人員能夠增加等化、加強和 DC 增益能力,以增強高速 USB 的訊號。

如上所述,矽廠商如今提供以轉接驅動器為基礎的現成 EVM,方便在此建議的應用中輕鬆試用目標元件。規格書提供了元件和電路板佈局資訊,讓 EVM 能用作終端產品的公版設計。

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