使用USB轉(zhuǎn)接驅(qū)動(dòng)器解決電纜吞吐量的問題

如果主機(jī)距離外圍設(shè)備很近，最新版本的 USB 可提供高達(dá) 2.5 Gb/s 的速率。在長距離使用 USB 的應(yīng)用中，設(shè)計(jì)人員必須找到一些方法來抵消信號(hào)衰減，以維持 USB 規(guī)定的數(shù)據(jù)速率。

雖然也可以采用均衡、加重和直流增益技術(shù)，但通過 USB 轉(zhuǎn)接驅(qū)動(dòng)器，設(shè)計(jì)人員可獲得更大的成功并縮短上市時(shí)間。轉(zhuǎn)接驅(qū)動(dòng)器是集成器件，包括解決信號(hào)衰減所需的所有電子元件。

本文首先介紹轉(zhuǎn)接驅(qū)動(dòng)器的操作，然后引入一些示例器件并說明其應(yīng)用方式。

USB 可以拉長距離，但需要付出代價(jià)

USB 規(guī)范在制定時(shí)，會(huì)假定僅在相距幾米內(nèi)的器件之間進(jìn)行連接，例如計(jì)算機(jī)和外部硬盤驅(qū)動(dòng)器之間的連接。USB 3.0 規(guī)范規(guī)定電纜長度應(yīng)限制在 3 米以內(nèi)，以保持信號(hào)完整性。但 USB 技術(shù)的成功之處正在于現(xiàn)在它可用于出于實(shí)際需要必須使用更長電纜的應(yīng)用。示例包括將服務(wù)器與安裝在大型商店中的顯示器面板連接。

遺憾的是，較長的電纜與高速 USB 版本常見的高頻信號(hào)相結(jié)合，會(huì)帶來信號(hào)完整性挑戰(zhàn)，例如通道插入損耗、串?dāng)_、碼間干擾 (ISI) 以及隨之而來的吞吐量降低。

USB 系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員可以采用多種技術(shù)來克服信號(hào)衰減。例如，均衡和加重可用于限制通道插入損耗和 ISI 的影響。提高 DC 增益有助于克服串?dāng)_引起的損耗。

但是，設(shè)計(jì)信號(hào)調(diào)節(jié)電路會(huì)增加 USB 系統(tǒng)的復(fù)雜性，并且加大挑戰(zhàn)的嚴(yán)峻程度，因?yàn)?USB 技術(shù)使用單獨(dú)的信號(hào)對進(jìn)行發(fā)送和接收，導(dǎo)致所需的電路加倍。USB 轉(zhuǎn)接驅(qū)動(dòng)器的出現(xiàn)為設(shè)計(jì)師帶來了福音。

信號(hào)衰減的原因

高速 USB 需要克服的信號(hào)衰減問題并非該技術(shù)所獨(dú)有；所有高速通信鏈路產(chǎn)品的設(shè)計(jì)人員都熟知此類問題。它們也不是長電纜 USB 安裝所獨(dú)有，但由于短電纜中的信號(hào)衰減較少，因此問題并不明顯。

高速通信系統(tǒng)中的信號(hào)衰減主要是由于插入損耗、串?dāng)_和 ISI 的共同作用。

插入損耗是由電纜引起的信號(hào)功率衰減的結(jié)果。損耗與電纜長度成正比。串?dāng)_是相鄰信號(hào)載波的電容、電感或電導(dǎo)“耦合”，這降低了兩者中信號(hào)的完整性。當(dāng)一個(gè)符號(hào)（攜帶數(shù)據(jù)并根據(jù)載波頻率重復(fù)的離散信號(hào)）干擾前一個(gè)符號(hào)時(shí)，會(huì)發(fā)生 ISI，從而會(huì)增加噪聲和失真。ISI 與載波頻率（因?yàn)樾盘?hào)之間的時(shí)間間隔隨著頻率升高減小）和電纜長度（因?yàn)樾旁氡?(SNR) 在較長的電纜中減?。┏杀壤Ｔ肼暿切盘?hào)中不攜帶有用信息的部分。

高速 USB 系統(tǒng)還將包括一定量的確定性和隨機(jī)性抖動(dòng)，可以理解為與信號(hào)標(biāo)稱周期性的小偏差，這可能損害信號(hào)完整性。系統(tǒng)通信頻率越高，抖動(dòng)的影響越大。

克服信號(hào)衰減

高速通信系統(tǒng)中不可避免地存在一些信號(hào)衰減，但是僅在 SNR 變得太差以至于發(fā)送的某些數(shù)據(jù)無法在接收器處解碼時(shí)，信號(hào)衰減才會(huì)成為一個(gè)問題。這會(huì)導(dǎo)致吞吐量受損，并且在極端情況下引發(fā)通信故障。

工程師已經(jīng)開發(fā)出四種技術(shù)來提高 SNR（或?qū)嵤靶盘?hào)調(diào)節(jié)”），以提升高速通信系統(tǒng)的吞吐量：

加重/去加重放大最可能受噪聲影響的發(fā)射頻率，然后在接收器處對其去加重，以重建原始信號(hào)。

均衡使用濾波來確保接收信號(hào)與發(fā)送信號(hào)的頻率特性相匹配，從而有效保持整個(gè)電纜長度上平坦的頻率響應(yīng)。

直流增益可補(bǔ)償給定長度電纜的線性衰減。

輸出擺幅控制可配置 USB 差分電壓，以確保其符合 0.8 至 1.2 伏的規(guī)格要求。

優(yōu)化特定配置的通信需要進(jìn)行大量測試，以確定一系列操作條件所需的均衡、加重、DC 增益和輸出擺幅控制的量。然后，可使用該信息在操作期間自適應(yīng)更改每個(gè)參數(shù)，以維持理想信號(hào)。但是，對所有系統(tǒng)執(zhí)行自適應(yīng)信號(hào)調(diào)節(jié)，而非僅針對最關(guān)鍵的通信系統(tǒng)，這并不實(shí)際。

無源信號(hào)調(diào)節(jié)，即單個(gè)設(shè)置滿足所有操作條件，確實(shí)能夠以低得多的成本獲得合理的結(jié)果。缺點(diǎn)是它無法始終確保最佳條件。設(shè)計(jì)人員可以通過提供特定長度的電纜（其設(shè)計(jì)已經(jīng)過使用測試）或指定最大電纜長度來確保消費(fèi)者滿意。

USB 主機(jī)（微處理器）到轉(zhuǎn)接驅(qū)動(dòng)器通道，以及轉(zhuǎn)接驅(qū)動(dòng)器到外圍通道（通過連接器和電纜）都需要進(jìn)行信號(hào)調(diào)節(jié)。通常，每側(cè)都需要不同的信號(hào)調(diào)節(jié)參數(shù)。

重新設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)接驅(qū)動(dòng)器

USB 轉(zhuǎn)接驅(qū)動(dòng)器是一種對 USB 通道實(shí)施透明（不影響數(shù)據(jù)傳輸）信號(hào)調(diào)節(jié)的方便且相對低成本的方式。諸如 Diodes Incorporated 的 PI3EQX1001XUAEX（一種 10 Gb/s、1 通道 USB 3.1 線性轉(zhuǎn)接驅(qū)動(dòng)器）之類的產(chǎn)品，在端點(diǎn)設(shè)備接收之前，將高速 USB 信號(hào)恢復(fù)到原始狀態(tài)（圖 1）。

圖 1：USB 轉(zhuǎn)接驅(qū)動(dòng)器（比如 Diodes Incorporated 的 PI3EQX1001XUAEX）是恢復(fù)長電纜信號(hào)完整性的便捷方式。（圖片來源：Diodes Incorporated）

由于轉(zhuǎn)接驅(qū)動(dòng)器允許各種配置參數(shù)，因此芯片可以安裝在主機(jī) USB 印刷電路板上，盡可能靠近連接器，或者安裝在電纜的遠(yuǎn)端，靠近外圍設(shè)備或端點(diǎn)設(shè)備的連接器（如圖 1 所示）。但是，大多數(shù)應(yīng)用在電纜的主機(jī) USB 端使用轉(zhuǎn)接驅(qū)動(dòng)器。

電路板印制線的設(shè)計(jì)應(yīng)符合高速信號(hào)設(shè)計(jì)的最佳實(shí)踐指導(dǎo)準(zhǔn)則。例如，印制線應(yīng)是匹配、阻抗受控的差分對。布線應(yīng)避免使用過孔和急轉(zhuǎn)彎（保持在 135°或更大角度），并且印制線應(yīng)以穩(wěn)固的地平面為基準(zhǔn)，不得有切斷和分叉，以防止阻抗不連續(xù)（圖 2）。

圖 2：將 USB 主機(jī)連接到轉(zhuǎn)接驅(qū)動(dòng)器和連接器的印制線應(yīng)采用高速信號(hào)設(shè)計(jì)最佳實(shí)踐。例如，轉(zhuǎn)彎應(yīng)限制在 1350 以限制干擾。（圖片來源：Texas Instruments）

組裝了印刷電路板和組件之后，開發(fā)人員就可以配置信號(hào)調(diào)節(jié)參數(shù)以滿足特定通道的特定特性。

NXP Semiconductors 的 PTN36043BXY USB 3.0 轉(zhuǎn)接驅(qū)動(dòng)器是現(xiàn)代產(chǎn)品的一個(gè)示例。該芯片是一款緊湊型、低功耗、雙差分通道產(chǎn)品，使用 2 對 1 有源開關(guān)，帶有集成的 USB 3.0 轉(zhuǎn)接驅(qū)動(dòng)器。該開關(guān)可以將兩個(gè)差分信號(hào)引導(dǎo)至兩個(gè)位置之一，并采用最小化串?dāng)_的設(shè)計(jì)（圖 3）。

圖 3：NXP Semiconductors 的 USB 3.0 轉(zhuǎn)接驅(qū)動(dòng)器集成了加重、均衡、直流增益和輸出擺幅控制。由于電纜特性在不同方向上各不相同，因此傳輸線和接收器線需要單獨(dú)控制。此轉(zhuǎn)接驅(qū)動(dòng)器結(jié)合 USB Type-C 連接器使用，因此它在連接器側(cè)具有兩條發(fā)射和接收雙絞線。（圖片來源：NXP Semiconductors）

NXP USB 3.0 轉(zhuǎn)接驅(qū)動(dòng)器允許開發(fā)人員調(diào)整每個(gè)通道（USB 主機(jī)到轉(zhuǎn)接驅(qū)動(dòng)器和轉(zhuǎn)接驅(qū)動(dòng)器到外設(shè)）的加重/去加重、均衡和輸出擺幅。此外，該器件還可通過提高直流增益來補(bǔ)償電纜衰減。

每個(gè)通道連接到兩個(gè)控制引腳，允許設(shè)計(jì)人員為給定設(shè)置選擇信號(hào)調(diào)節(jié)參數(shù)。對于每個(gè)通道上的 TX/RX 線路，開發(fā)人員可以從九種信號(hào)調(diào)節(jié)組合中選擇（表）。

CH1_SET1 CH1_SET2 RX_AP_± 去加重 RX_AP_± 輸出擺幅 TX_AP_± 均衡器 低 低 -3.9 dB 1100 mV 3.0 dB 開 -3.5 dB 900 mV 3.0 dB 高 0 dB 1100 mV 3.0 dB 開 低 0 dB 900 mV 3.0 dB 開 -3.9 dB 1100 mV 0 dB 高 -3.5 dB 900 mV 0 dB 高 低 0 dB 1100 mV 0 dB 開 0 dB 900 mV 0 dB 高 -5.3 dB 1100 mV 6.0 dB

表： 當(dāng)使用 NXP 轉(zhuǎn)接驅(qū)動(dòng)器時(shí)，對于 USB 主機(jī)到轉(zhuǎn)接驅(qū)動(dòng)器通道上的 TX/RX 線路，開發(fā)人員可以從 9 個(gè)信號(hào)調(diào)節(jié)參數(shù)中選擇。類似選項(xiàng)可用于轉(zhuǎn)接驅(qū)動(dòng)器到外設(shè)通道。（表格來源：NXP Semiconductors）

評估轉(zhuǎn)接驅(qū)動(dòng)器設(shè)計(jì)

需要在一系列工作條件下評估原型，以確定加重、均衡、直流增益和輸出擺幅控制的最佳選擇。由于可使用評估套件，設(shè)計(jì)人員的任務(wù)變得更加輕松。

例如，Texas Instruments 提供 USB-REDRIVER-EVM USB 3.0 轉(zhuǎn)接驅(qū)動(dòng)器評估模塊 (EVM)（圖 4）。此模塊基于該公司的 TUSB501DRFR USB 3.0 3.3 V 單通道轉(zhuǎn)接驅(qū)動(dòng)器。

圖 4：TI 的 USB 3.0 轉(zhuǎn)接驅(qū)動(dòng)器評估模塊使開發(fā)人員可以嘗試一系列配置，以優(yōu)化其設(shè)計(jì)的信號(hào)完整性。（圖片來源：Texas Instruments）

當(dāng) USB 系統(tǒng)處于活動(dòng)狀態(tài)時(shí)，TUSB501 會(huì)定期對 TX 對執(zhí)行接收器檢測。如果它檢測到 SuperSpeed USB 接收器，則 RX 終端變?yōu)閱⒂脿顟B(tài)，并且 TUSB501 可隨時(shí)轉(zhuǎn)接驅(qū)動(dòng)。

該芯片采用一個(gè)接收器均衡器，具有三個(gè)由引腳“EQ”控制的增益設(shè)置（3、6 和 9 dB）。該芯片還支持引腳“DE”和“OS”上的去加重和輸出擺幅。去加重值取決于輸出擺幅選擇。當(dāng)輸出擺幅設(shè)置為“低”時(shí)，去加重可以設(shè)置在 0 到 -6.2 dB 之間。設(shè)置為“高”時(shí)，EM 支持 -2.6 到 -8.3 dB 之間的去加重。

EVM 作為 USB 適配器，包含兩個(gè) TUSB501 轉(zhuǎn)接驅(qū)動(dòng)器（另加一個(gè) USB 2.0 轉(zhuǎn)接驅(qū)動(dòng)器）。適配器由 USB 主機(jī) VBUS 引腳供電，并將電源電壓傳遞到下游端口，以為外設(shè)供電。

EM 上的一個(gè) TUSB501 轉(zhuǎn)接驅(qū)動(dòng)器可以提升主機(jī) TX 線路性能，而另一個(gè)則可以控制 RX 線路。均衡和去加重值的默認(rèn)配置值，通常與帶有 3 到 5 米長電纜和 20 到 25 厘米電路板印制線的 USB 3.0 系統(tǒng)的發(fā)送和接收配置值相同。直流增益通過選擇合適的電阻器來實(shí)施。

EVM 允許開發(fā)人員測試對轉(zhuǎn)接驅(qū)動(dòng)器配置參數(shù)的更改如何影響高速 USB 系統(tǒng)的 TX 和 RX 對的信號(hào)完整性。EVM 還可作為參考設(shè)計(jì)，針對任何預(yù)期應(yīng)用進(jìn)行修改。它配有 USB Type-A 插頭和插座。

使用 USB 轉(zhuǎn)接驅(qū)動(dòng)器連接來測試系統(tǒng)

在測試物理系統(tǒng)時(shí)，務(wù)必要記住轉(zhuǎn)接驅(qū)動(dòng)器會(huì)修改 USB 信號(hào)，從而造成系統(tǒng)抖動(dòng)。應(yīng)測量此抖動(dòng)，以檢查其對信號(hào)調(diào)節(jié)設(shè)置的影響。

TI 建議使用帶有 3 米電纜的測試系統(tǒng)和帶有 24 英寸印制線的主機(jī) USB 印刷電路板，并將轉(zhuǎn)接驅(qū)動(dòng)器放置在距離連接器 4 英寸的位置。在電纜的遠(yuǎn)端，外設(shè)由印刷電路板代表，印制線尺寸在 1 到 6 英寸之間（圖 5）。

圖 5：使用 TUSB501 轉(zhuǎn)接驅(qū)動(dòng)器的高速 USB 抖動(dòng)測試設(shè)置。該設(shè)置復(fù)制一個(gè)應(yīng)用，比如使用 3 米電纜連接到外圍閃存驅(qū)動(dòng)器的 PC。（圖片來源：Texas Instruments）

理想的設(shè)計(jì)將表現(xiàn)出零抖動(dòng)，確保在從高到低/從低到高轉(zhuǎn)換之后，立即完全應(yīng)用去加重之類的補(bǔ)償。由于這并不現(xiàn)實(shí)，TI 建議設(shè)計(jì)限制抖動(dòng)，以便在轉(zhuǎn)換的 200 皮秒 (ps) 內(nèi)應(yīng)用完全補(bǔ)償（圖 6）。

圖 6：應(yīng)限制使用轉(zhuǎn)接驅(qū)動(dòng)器的高速 USB 系統(tǒng)中的抖動(dòng)，以便在信號(hào)轉(zhuǎn)換的 200 ps 內(nèi)應(yīng)用完全補(bǔ)償。（圖片來源：Texas Instruments）

總結(jié)

USB 3.0 的原始形式適用于最大長度為 2 米的電纜，但目前的許多應(yīng)用使用更長的電纜。由于該技術(shù)需要使用高頻信號(hào)，將電纜長度延長超過 3 米會(huì)帶來信號(hào)完整性問題，從而影響吞吐量。低成本且緊湊的 USB 3.0 轉(zhuǎn)接驅(qū)動(dòng)器提供了一種相對簡單的解決方案，使開發(fā)人員能夠增加均衡、加重和 DC 增益，從而提升高速 USB 信號(hào)質(zhì)量。

如上所述，硅供應(yīng)商現(xiàn)在提供基于轉(zhuǎn)接驅(qū)動(dòng)器的現(xiàn)成 EVM，從而可以在建議的應(yīng)用中輕松試用目標(biāo)器件。數(shù)據(jù)表包括元器件和印刷電路板布局信息，允許將 EVM 用作最終產(chǎn)品的參考設(shè)計(jì)。