中繼補(bǔ)償傳輸信道耗損　Retimer確保訊號(hào)完整性

文．Joseph Juan

USB規(guī)范是USB開發(fā)者論壇（USB IF）維護(hù)的產(chǎn)業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，規(guī)定了許多個(gè)人計(jì)算機(jī)與外接接口設(shè)備間USB連接事項(xiàng)，比如電纜、接頭、連接協(xié)議、通訊以及電源。作為目前最新版本的USB規(guī)范，USB 3.2將數(shù)據(jù)傳輸帶寬大幅提升至10Gbps。USB 3.2 Gen2規(guī)范大幅提升了數(shù)據(jù)編碼效率，提供的速率比USB 3.1 Gen1一代提供的速率（5Gbps）快一倍。

USB Type-C（也作USB-C）支持最新的USB 3.2標(biāo)準(zhǔn)。特性完備的USB-C電纜可支持10Gbps的數(shù)據(jù)吞吐量，是USB 3.2 Gen1標(biāo)準(zhǔn)的兩倍。根據(jù)DisplayPort 1.4標(biāo)準(zhǔn)，在每路顯示輸出中該電纜支持四信道，每信道數(shù)據(jù)傳輸率可達(dá)8.1Gbps。DisplayPort則是以數(shù)據(jù)報(bào)的形式通過數(shù)字接口同時(shí)傳輸高分辨率音視頻信號(hào)，總帶寬可達(dá)32.4Gbps。高速的數(shù)據(jù)傳輸率和常見的嵌入式時(shí)鐘架構(gòu)的結(jié)合，有助于在差分訊號(hào)對(duì)信道中傳輸海量的數(shù)據(jù)和影音頻號(hào)。

訊號(hào)完整性成高速訊號(hào)傳輸挑戰(zhàn)

高速訊號(hào)在通過電纜或印刷電路板傳輸時(shí)，衰減現(xiàn)象很嚴(yán)重，甚至?xí)?dǎo)致訊號(hào)畸變。訊號(hào)通常透過傳輸線路傳輸，長度為10到12英吋的傳輸線路導(dǎo)致的通道插入損耗達(dá)20dB或更高。此外，反射、串?dāng)_、雜波訊號(hào)和散射都會(huì)導(dǎo)致訊號(hào)完整性與眼圖區(qū)間惡化。訊號(hào)傳輸距離增加導(dǎo)致訊號(hào)衰減程度加重且訊號(hào)質(zhì)量下降，進(jìn)而導(dǎo)致數(shù)據(jù)位錯(cuò)誤，無法在遠(yuǎn)程或接收端成功復(fù)原傳輸?shù)挠嵦?hào)。

為避免或減輕這種現(xiàn)象，須為數(shù)據(jù)傳輸率為8.1Gbps以上的串行接口設(shè)置中繼器，以濾除隨機(jī)雜波和系統(tǒng)噪聲，使訊號(hào)符合規(guī)范要求。中繼器通常部署在信道途中，以補(bǔ)償信道損耗。目前有兩種類型的中繼器：Retimer和Redriver。Retimer可對(duì)來自上游信道的訊號(hào)進(jìn)行均衡，使用CDR恢復(fù)時(shí)鐘訊號(hào)，并生成數(shù)字應(yīng)激訊號(hào)，傳送至下游信道。Redriver可均衡來自上游信道的訊號(hào)并將其傳送至下游通道。它的輸出訊號(hào)在輸入訊號(hào)的連續(xù)驅(qū)動(dòng)下生成。Redriver不包含CDR，也不執(zhí)行復(fù)位時(shí)操作。

桌機(jī)/筆電USB-C與USB-A接口訊號(hào)改善方案

在所有互聯(lián)協(xié)議中，數(shù)據(jù)傳輸速率不斷提高，對(duì)CPU的性能要求更高，進(jìn)而提升整個(gè)信道的數(shù)據(jù)傳輸速率。當(dāng)主流CPU供貨商不斷減小其芯片尺寸以降低功耗、維持性價(jià)比時(shí)，這種情形尤其明顯，最終導(dǎo)致保證訊號(hào)符合規(guī)范要求的最大傳輸路徑長度不斷縮短。

英特爾（Intel）的CNL和CFL平臺(tái)USB3.1 Gen 2應(yīng)用設(shè)計(jì)指南建議OEM廠商在使用USB-C接頭時(shí)，使用基于Retimer的主動(dòng)復(fù)用解決方案；在使用USB Type-A接頭時(shí)，使用Retimer方案，以保證訊號(hào)完整性，獲得更好的JTOL區(qū)間。Retimer應(yīng)用必須符合USB 3.2規(guī)范的附錄E，在USB 3.2 Gen2模式下能夠提供23dB的損耗補(bǔ)償。

USB 3.2規(guī)范定義了以下兩種類型的Retimer：

·SRIS Retimer

在SSC無關(guān)參考時(shí)鐘（Separate Reference clock Independent of SSC， SRIS）Retimer應(yīng)用中，傳輸時(shí)鐘訊號(hào)來自本地參考時(shí)鐘，與接收端復(fù)原的時(shí)鐘訊號(hào)無關(guān)。

·BLR

數(shù)據(jù)位Retimer（Bit-Level Retimer， BLR）的應(yīng)用中，傳輸時(shí)鐘訊號(hào)來自接收端復(fù)原的時(shí)鐘訊號(hào)（鏈路訓(xùn)練的某些階段除外）。

圖1 對(duì)桌機(jī)/筆電的USB-C插入損耗進(jìn)行補(bǔ)償設(shè)計(jì)

圖1與圖2為對(duì)桌機(jī)/筆電的USB-C插入損耗進(jìn)行補(bǔ)償?shù)脑O(shè)計(jì)。從圖1和圖2可知，DisplayPort的插入損耗為10.7dB（數(shù)據(jù)傳輸率8.1Gbps）；USB-3的插入損耗為12.8dB（數(shù)據(jù)傳輸率10Gbps）。

圖2 對(duì)桌機(jī)/筆電的USB-C插入損耗進(jìn)行補(bǔ)償設(shè)計(jì)

硅谷數(shù)模（Analogix）對(duì)此進(jìn)行了一項(xiàng)測試，測試環(huán)境如下：

1. USB主機(jī)：Gigabyte GB-BSi5HA- 6200

2. 插入損耗板：15英寸（USB-C -micro-USB， FR-4）

3. Retimer（ANX7440）EVB

4. USB設(shè)備：Sandisk SSD Plus

5. 示波器：DS0Z334A（33GHZ）

圖3為測量位置與測量結(jié)果。安裝了Retimer的系統(tǒng)可望在主機(jī)到設(shè)備之間對(duì)最多23dB的插入損耗進(jìn)行補(bǔ)償（圖4）。Retimer簡化了PCB布線，可以在不犧牲平臺(tái)性能的前提下，確保個(gè)人計(jì)算機(jī)主板和USB/DisplayPort電纜實(shí)現(xiàn)高吞吐量訊號(hào)傳輸。

圖3 USB主機(jī)訊號(hào)測試示例圖

圖4 安裝Retimer的系統(tǒng)對(duì)插入損耗進(jìn)行補(bǔ)償

DisplayPort訊號(hào)改善方案

若要透過主動(dòng)電纜和菊花鏈實(shí)現(xiàn)多個(gè)Retimer之間的無縫互通，須具備功能完備的DisplayPort Retimer，支持鏈路訓(xùn)練可調(diào)PHY中繼器（LTTPR）模式和帶AUX Snooper的透明模式。

USB-A/USB-C訊號(hào)改善方案

使用菊花鏈連接多個(gè)Retimer可以在通用連接系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)多功能的USB-C互聯(lián)。USB-C菊花鏈提高了擴(kuò)展USB-C電纜的訊號(hào)完整性。USB 3.2附錄E可確保以菊花鏈形式連接的多個(gè)Retimer之間的無縫互連，若要滿足此標(biāo)準(zhǔn)，須在USB 3路徑部署采用SRIS或BLR架構(gòu)且能夠進(jìn)行23dB損耗補(bǔ)償?shù)腞etimer。USB 3.2規(guī)范附錄E的E.1.2.1.2小節(jié)給出了Retimer連接模型的要求，該規(guī)范支持Pending_HP_Timer_timeout配置下的4-Retimer連接，適用于10-μs USB 3.2主機(jī)和設(shè)備。

4-Retimer連接指10-μs主機(jī)或設(shè)備與另一個(gè)10-μs主機(jī)或設(shè)備的連接。在這種情況下，最多可使用四個(gè)Retimer，圖5顯示了一個(gè)4-Retimer連接，其中包括一個(gè)10-μs主機(jī)和一個(gè)10-μs USB 3.1設(shè)備，它們之間透過一條主動(dòng)電纜連接。而針對(duì)下一代10Gbps筆電與桌機(jī)的Retimer應(yīng)可實(shí)現(xiàn)4-Retimer菊花鏈連接功能，滿足最新的USB 3.2規(guī)范附錄E的要求，以滿足USB 3.2 CTS互通測試要求的前提下，對(duì)USB 3.1 Gen 2 10Gbps訊號(hào)高達(dá)23dB的信道損耗進(jìn)行補(bǔ)償。

圖5 10-μs主機(jī)與10-μs設(shè)備間的連接

中繼器不僅用于尺寸較大的PCB電路板和較長的傳輸路徑，還可用于尺寸非常小的平臺(tái)，比如智慧手機(jī)。理由如下：

1. CPU芯片組無法為各信道提供足夠的輸出驅(qū)動(dòng)。

2. 部分信道會(huì)經(jīng)過訊號(hào)損耗較大的PCB區(qū)域。

3. 天線附近的電磁干擾限制訊號(hào)的強(qiáng)度。

4. 與接頭相連的電纜會(huì)增加通道長度。

智能型手機(jī)訊號(hào)改善方案

智慧手機(jī)會(huì)連接不同的外接顯示設(shè)備，也會(huì)連接各種配件。如果不使用Retimer，智能手機(jī)內(nèi)部電路板的DisplayPort 1.4接口的損耗將為8到10dB，USB 3.2界面損耗將為10到12dB，這些損耗會(huì)導(dǎo)致智能手機(jī)內(nèi)部電路板性能下降，進(jìn)而使DisplayPort 1.4數(shù)據(jù)傳輸率下降至5.4Gbps以下，使USB 3.2數(shù)據(jù)傳輸率下降至5Gbps以下。所以，應(yīng)用處理器（AP）制造商通常建議將Retimer用于DisplayPort 1.4和USB 3.2的數(shù)據(jù)傳輸。

而針對(duì)下一代智慧手機(jī)設(shè)計(jì)的Retimer必須支持在各種長度的電纜上進(jìn)行DisplayPort 1.4（8.1Gbps）和USB 3.1 Gen2（10Gbps）的高帶寬數(shù)據(jù)傳輸。智能手機(jī)通常采用高速USB-C接口，而下一代應(yīng)用處理器在Retimer的幫助下可在USB-C接頭上實(shí)現(xiàn)極高的數(shù)據(jù)傳輸率，使得智能手機(jī)成為實(shí)現(xiàn)VR應(yīng)用的理想選擇，因?yàn)檫B接頭戴式VR顯示器要求同時(shí)支持DisplayPort和USB 3傳輸，以通過細(xì)長電纜傳輸刷新頻率為90Hz、分辨率為4K×2K的視頻信號(hào)。

智能手機(jī)連接到USB-C接口的監(jiān)視器時(shí)通常使用DisplayPort替代模式，其有兩個(gè)數(shù)據(jù)信道，在60Hz刷新頻率下最高可達(dá)4K分辨率。如果是連接USB-C配件，則通常為DisplayPort到HDMI連接，在60Hz刷新頻率下可實(shí)現(xiàn)4K分辨率和USB 3的數(shù)據(jù)傳輸率。Retimer能夠在上述高數(shù)據(jù)傳輸率情況下確保數(shù)據(jù)完整，并保障主機(jī)到同步設(shè)備間的影像與數(shù)據(jù)傳輸。

電纜訊號(hào)改善方案

為外殼處的接頭部署中繼器或在接頭外殼內(nèi)部署中繼器時(shí)，可以使用較細(xì)較長的電纜。主動(dòng)電纜在接頭內(nèi)的PCB上部署了中繼器。目前市場提供用于連接USB、DisplayPort、HDMI、PCI Express、SATA和SAS等接口的主動(dòng)電纜（圖6）。

圖6 主動(dòng)電纜接頭內(nèi)的PCB上部署中繼器

針對(duì)長電纜情況，Retimer可以在長度為2公尺、5公尺甚至7公尺的主動(dòng)電纜的兩端進(jìn)行訊號(hào)復(fù)原，使得低成本電纜解決方案能夠滿足高速DisplayPort和USB 3.2訊號(hào)傳輸?shù)男阅芎图嫒菪苑矫娴囊蟆?/p>

Retimer供貨商須與主流CPU和AP提供商密切合作，努力確保其訊號(hào)改善產(chǎn)品滿足鏈路訓(xùn)練要求，提供所需的兼容性通道，并共同設(shè)計(jì)模擬模型，以進(jìn)一步改進(jìn)設(shè)計(jì)，提高在高速接口使用Retimer的成功率。

（本文作者為Analogix資深營銷經(jīng)理）
本文來源：新通訊2018年6月號(hào)208期《技術(shù)前瞻》，如有侵權(quán)請(qǐng)聯(lián)系郵箱：jftougao@elecfans.com