長距離USB應用如何抵消信號衰減

　　如果主機距離外圍設備很近，最新版本的 USB 可提供高達 2.5 Gb/s 的速率。在長距離使用 USB 的應用中，設計人員必須找到一些方法來抵消信號衰減，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)動器，設計人員可獲得更大的成功并縮短上市時間。轉(zhuǎn)接驅(qū)動器是集成器件，包括解決信號衰減所需的所有電子元件。

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

　　USB 可以拉長距離，但需要付出代價

　　USB 規(guī)范在制定時，會假定僅在相距幾米內(nèi)的器件之間進行連接，例如計算機和外部硬盤驅(qū)動器之間的連接。USB 3.0 規(guī)范規(guī)定電纜長度應限制在 3 米以內(nèi)，以保持信號完整性。但 USB 技術(shù)的成功之處正在于現(xiàn)在它可用于出于實際需要必須使用更長電纜的應用。示例包括將服務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相結(jié)合，會帶來信號完整性挑戰(zhàn)，例如通道插入損耗、串擾、碼間干擾 （ISI） 以及隨之而來的吞吐量降低。

　　USB 系統(tǒng)設計人員可以采用多種技術(shù)來克服信號衰減。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 增益有助于克服串擾引起的損耗。

　　但是，設計信號調(diào)節(jié)電路會增加 USB 系統(tǒng)的復雜性，并且加大挑戰(zhàn)的嚴峻程度，因為 USB 技術(shù)使用單獨的信號對進行發(fā)送和接收，導致所需的電路加倍。USB 轉(zhuǎn)接驅(qū)動器的出現(xiàn)為設計師帶來了福音。

　　信號衰減的原因

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

　　高速通信系統(tǒng)中的信號衰減主要是由于插入損耗、串擾和 ISI 的共同作用。

　　插入損耗是由電纜引起的信號功率衰減的結(jié)果。損耗與電纜長度成正比。串擾是相鄰信號載波的電容、電感或電導“耦合”，這降低了兩者中信號的完整性。當一個符號（攜帶數(shù)據(jù)并根據(jù)載波頻率重復的離散信號）干擾前一個符號時，會發(fā)生 ISI，從而會增加噪聲和失真。ISI 與載波頻率（因為信號之間的時間間隔隨著頻率升高減小）和電纜長度（因為信噪比 （SNR） 在較長的電纜中減?。┏杀壤?。噪聲是信號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性抖動，可以理解為與信號標稱周期性的小偏差，這可能損害信號完整性。系統(tǒng)通信頻率越高，抖動的影響越大。

　　克服信號衰減

　　高速通信系統(tǒng)中不可避免地存在一些信號衰減，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，信號衰減才會成為一個問題。這會導致吞吐量受損，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靶盘栒{(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。

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

　　直流增益可補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更改每個參數(shù)，以維持理想信號。但是，對所有系統(tǒng)執(zhí)行自適應信號調(diào)節(jié)，而非僅針對最關鍵的通信系統(tǒng)，這并不實際。

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

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

　　重新設計轉(zhuǎn)接驅(qū)動器

　　USB 轉(zhuǎn)接驅(qū)動器是一種對 USB 通道實施透明（不影響數(shù)據(jù)傳輸）信號調(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)動器）之類的產(chǎn)品，在端點設備接收之前，將高速 USB 信號恢復到原始狀態(tài)（圖 1）。

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

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

　　電路板印制線的設計應符合高速信號設計的最佳實踐指導準則。例如，印制線應是匹配、阻抗受控的差分對。布線應避免使用過孔和急轉(zhuǎn)彎（保持在 135°或更大角度），并且印制線應以穩(wěn)固的地平面為基準，不得有切斷和分叉，以防止阻抗不連續(xù)（圖 2）。

　　圖 2：將 USB 主機連接到轉(zhuǎn)接驅(qū)動器和連接器的印制線應采用高速信號設計最佳實踐。例如，轉(zhuǎn)彎應限制在 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)動器是現(xiàn)代產(chǎn)品的一個示例。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，帶有集成的 USB 3.0 轉(zhuǎn)接驅(qū)動器。該開關可以將兩個差分信號引導至兩個位置之一，并采用最小化串擾的設計（圖 3）。

　　圖 3：NXP Semiconductors 的 USB 3.0 轉(zhuǎn)接驅(qū)動器集成了加重、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控制。此轉(zhuǎn)接驅(qū)動器結(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)動器允許開發(fā)人員調(diào)整每個通道（USB 主機到轉(zhuǎn)接驅(qū)動器和轉(zhuǎn)接驅(qū)動器到外設）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償電纜衰減。

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

　　表： 當使用 NXP 轉(zhuǎn)接驅(qū)動器時，對于 USB 主機到轉(zhuǎn)接驅(qū)動器通道上的 TX/RX 線路，開發(fā)人員可以從 9 個信號調(diào)節(jié)參數(shù)中選擇。類似選項可用于轉(zhuǎn)接驅(qū)動器到外設通道。（表格來源：NXP Semiconductors）

　　評估轉(zhuǎn)接驅(qū)動器設計

　　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，設計人員的任務變得更加輕松。

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

　　當 USB 系統(tǒng)處于活動狀態(tài)時，TUSB501 會定期對 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 可隨時轉(zhuǎn)接驅(qū)動。

　　該芯片采用一個接收器均衡器，具有三個由引腳“EQ”控制的增益設置（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。當輸出擺幅設置為“低”時，去加重可以設置在 0 到 -6.2 dB 之間。設置為“高”時，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 TUSB501 轉(zhuǎn)接驅(qū)動器（另加一個 USB 2.0 轉(zhuǎn)接驅(qū)動器）。適配器由 USB 主機 VBUS 引腳供電，并將電源電壓傳遞到下游端口，以為外設供電。

　　EM 上的一個 TUSB501 轉(zhuǎn)接驅(qū)動器可以提升主機 TX 線路性能，而另一個則可以控制 RX 線路。均衡和去加重值的默認配置值，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施。

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

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

　　在測試物理系統(tǒng)時，務必要記住轉(zhuǎn)接驅(qū)動器會修改 USB 信號，從而造成系統(tǒng)抖動。應測量此抖動，以檢查其對信號調(diào)節(jié)設置的影響。

　　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 USB 印刷電路板，并將轉(zhuǎn)接驅(qū)動器放置在距離連接器 4 英寸的位置。在電纜的遠端，外設由印刷電路板代表，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)動器的高速 USB 抖動測試設置。該設置復制一個應用，比如使用 3 米電纜連接到外圍閃存驅(qū)動器的 PC。（圖片來源：Texas Instruments）

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

　　圖 6：應限制使用轉(zhuǎn)接驅(qū)動器的高速 USB 系統(tǒng)中的抖動，以便在信號轉(zhuǎn)換的 200 ps 內(nèi)應用完全補償。（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，但目前的許多應用使用更長的電纜。由于該技術(shù)需要使用高頻信號，將電纜長度延長超過 3 米會帶來信號完整性問題，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 信號質(zhì)量。

　　如上所述，硅供應商現(xiàn)在提供基于轉(zhuǎn)接驅(qū)動器的現(xiàn)成 EVM，從而可以在建議的應用中輕松試用目標器件。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)品的參考設計。