低價(jià)位USB3.0系統的可靠性設計方案

USB是當今最成功的PC接口，安裝數量超過(guò)60億，在PC和接口設備上的普及率接近100%。雖然高速USB的480Mbps數據傳輸速度可滿(mǎn)足許多消費者現有的需求，但是與日俱增需求(如高清視頻和更快速的數碼影音文件的下載)推動(dòng)了SuperSpeed USB(3.0)的發(fā)展。

　　一般接口的新一代規格，其數據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規格不再使用簡(jiǎn)單的主從式、封包廣播式的數據傳輸架構，而是使用更加復雜的雙向封包交換架構。

　　USB3.0系統設計師面臨的最主要挑戰是解決5Gbps信號傳輸速度所帶來(lái)的問(wèn)題，設計師必須解決包括系統對信號衰減和抖動(dòng)增加的敏感度等問(wèn)題。此外，USB3.0對USB2.0接口的向下兼容性讓問(wèn)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(wèn)題也許是達到消費者延續對上一代USB產(chǎn)品的低價(jià)期待。USB3.0使用了雙倍數據率技術(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(cháng)可到3米的線(xiàn)纜、多個(gè)接口和PCB板上的長(cháng)途線(xiàn)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(dòng)問(wèn)題。

　　圖1：顯示了發(fā)送器端的開(kāi)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(xiàn)路、連接器和線(xiàn)纜所造成的信號損耗累計起來(lái)將快速損害信號質(zhì)量。根據信號裕度的要求，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(mǎn)足兼容性要求，USB3.0信號必須可以通過(guò)3米長(cháng)的線(xiàn)纜，并保持信號眼圖開(kāi)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(guò)均衡化處理過(guò)后的信號。舉例來(lái)說(shuō)，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(shí)際上可能另外經(jīng)過(guò)大約半米的路徑和數個(gè)連接器。

　　在一般的筆記本電腦至外圍設備的應用中，信號會(huì )經(jīng)過(guò)長(cháng)于12英寸的PCB線(xiàn)路(10英寸線(xiàn)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(xiàn)路損耗(12英寸x0.296dB/英寸，使用9/10/9 FR4走線(xiàn)，2.5GHz信號速度，不包括任何PCB導通孔)。加上每一個(gè)連接器產(chǎn)生的-1dB損耗，通過(guò)兩個(gè)連接器產(chǎn)生的損耗一共是2dB，因此留給線(xiàn)纜的信號損耗預算只剩下5.948~8.948dB。有遮蔽差分信號對線(xiàn)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。表1列出了根據這些數字計算出的能符合USB3.0規范的SDP線(xiàn)纜的最大長(cháng)度。表1中第三列到最后一列顯示，如果不使用信號調節產(chǎn)品，即便高質(zhì)量的28AWG線(xiàn)纜，也無(wú)法達到USB3.0規范要求的3米長(cháng)度。

　　產(chǎn)品制造商可以選擇使用高質(zhì)量的26AWG SDP線(xiàn)纜來(lái)通過(guò)認證測試，但是這種線(xiàn)纜非常貴，如果隨產(chǎn)品出貨，線(xiàn)纜的成本會(huì )大幅增加產(chǎn)品的成本。此外，即使隨產(chǎn)品出貨這種線(xiàn)纜，也無(wú)法保證使用者不會(huì )混用到其它低質(zhì)量的線(xiàn)纜。雖然在產(chǎn)品上可以強調必須使用適當的線(xiàn)纜，但USB產(chǎn)品的使用者已經(jīng)習慣了在連接產(chǎn)品時(shí)不需擔心線(xiàn)纜的質(zhì)量。這里的關(guān)鍵問(wèn)題，是當由于使用低質(zhì)量的線(xiàn)纜連接產(chǎn)品而造成產(chǎn)品效能低的時(shí)候，使用者會(huì )直覺(jué)地認為是產(chǎn)品的問(wèn)題而不是線(xiàn)纜的問(wèn)題。這可能會(huì )造成較高的產(chǎn)品退貨率，并且大幅減少采用USB3.0規格產(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(jué)USB3.0技術(shù)很難使用，將嚴重影響市場(chǎng)的成長(cháng)。

　　圖2：與圖1相同，但在每個(gè)連接器端都有轉接驅動(dòng)器?？s短(drop)“信號通道”。顯示了發(fā)送器端的開(kāi)眼圖和接收器端的閉合眼圖。

　　使用信號調節技術(shù)恢復信號質(zhì)量

　　當信號質(zhì)量由于抖動(dòng)(抖動(dòng))和衰減而下降時(shí)，可以采用信號調節器件恢復信號質(zhì)量。信號調節器件也被稱(chēng)做轉接驅動(dòng)器(redriver)，因為信號在被傳送之前重新被驅動(dòng)(redriven)。轉接驅動(dòng)器可以放在發(fā)送器和接收器之間，可以恢復、調節、再發(fā)送接收到的信號。

　　如果放在接收器之前，轉接驅動(dòng)器可以有效打開(kāi)信號眼圖的開(kāi)口，從而將信號質(zhì)量恢復到可以接收的范圍內。轉接驅動(dòng)器可以調節信號、使用信號均衡的功能減少信號衰減和抖動(dòng)，因此可以在更長(cháng)的距離和通過(guò)多個(gè)連接器的情況下提供干凈的信號傳送通道。信號可以恢復原有的強度再次傳送，就像是將信號通道拆成數個(gè)段落，并且在每個(gè)段落恢復信號的質(zhì)量。轉接驅動(dòng)器也允許產(chǎn)品設計師依照特定的應用類(lèi)型調整最佳的信號均衡效果，因此可以確保設備可以通過(guò)最嚴格的USB3.0認證要求。

　　信號調節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(lái)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(huì )一次設計就能通過(guò)驗證情況下。經(jīng)過(guò)改善的信號質(zhì)量不但可以給設計工程師帶來(lái)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)品穩定性，減少傳送錯誤，從而增加實(shí)際有效的信息吞吐量且讓系統工作更有效。