無需重新計就可升級至高速USB手機的方法

蜂窩服務提供商一直在努力向用戶提供更多的功能，在日趨飽和的市場中這些新功能可以增加人均收入(ARPU)值。過去幾年來，手機一直在集成數(shù)碼相機(DSC)功能。
現(xiàn)在，各地商店中的大部分手機都已將數(shù)碼相機作為標準配置。其驅(qū)動力是用戶在打電話時有可能需要拍照并與朋友分享，從而為蜂窩服務提供商帶來新的收入來源。

在最近幾年中已經(jīng)開始的新的發(fā)展趨勢包括了將便攜式媒體播放器(PMP)功能集成進手機中。這樣，當用戶通過網(wǎng)絡下載喜愛的媒體數(shù)據(jù)時，蜂窩服務提供商就可以在收取通話費用的同時對音樂和視頻內(nèi)容進行收費。

隨著移動手機不斷地集成諸如高分辨率數(shù)碼相機、PMP以及PDA等新功能，用戶需要方便地在手機和PC之間傳遞數(shù)據(jù)。作為MP3播放器(PMP)、數(shù)碼相機(DSC)、閃盤、硬盤中普遍使用的標準數(shù)據(jù)傳送方法的USB將成為最佳替代方案。

全速與高速USB

目前大部分手機支持全速(FS)USB(12Mbits/s)，這對地址薄等少量數(shù)據(jù)傳輸來說已經(jīng)足夠了。但當增加了MP3播放器和高分辨率數(shù)碼相機后，F(xiàn)S USB就顯得有些落后了，因為此時的手機和PC之間需要傳輸大量的數(shù)據(jù)。用戶已經(jīng)被專用PMP和DSC采用的高速(HS)USB的480Mbit/s速度寵壞了。在傳送MP3和圖像文件時必須使用全速傳輸只能使用戶感到失望。

比較用HS USB和FS USB進行手機到PC的數(shù)據(jù)傳輸可以發(fā)現(xiàn)，采用HS USB從PC主機到手持設備傳送105MB的數(shù)據(jù)需要大約33秒的時間，而FS USB完成同樣的傳送幾乎要花上13分鐘的時間。

目前采用閃存的先進手持設備支持高達8GB的數(shù)據(jù)存儲量，如果采用全速USB傳送這些數(shù)據(jù)要花上超過17個小時的時間，而高速USB只需44分鐘。采用硬盤的先進手持設備存儲容量更是高達80GB，此時采用全速USB的傳送時間將增加10倍，達到170小時，而高速USB只需7.3小時(440分鐘)。

目前的手機使用FS USB有好幾個原因，包括診斷和制造可測試性以及modem的連接。前者可以為手機OEM商提供在生產(chǎn)線上測試手機的便利方法，以便確保質(zhì)量，減小或消除現(xiàn)場故障。FS USB的帶寬對這些任務來說足夠了。后者可以為用戶提供將手機作為modem使用的途徑，作為modem的手機可以連接到筆記本電腦上實現(xiàn)無線互聯(lián)網(wǎng)訪問。FS USB提供高達12Mbits/s的帶寬，已經(jīng)足夠(至少理論上)支持現(xiàn)有的2G數(shù)據(jù)標準，如GSM的GPRS和EDGE以及CDMA的1xEV-DO和1xEV-DO Rev.A，甚至可以支持新興的3G標準，如HSDPA和HSUPA。

因為FS USB可以為這些功能提供足夠的帶寬，手機OEM商更傾向于保留已有的技術，并在設計中使用HS USB控制器或物理芯片來簡單地增加對HS USB的支持。這樣做只是增加了大容量存儲要求的高帶寬通道，因此在集成PMP和DSC功能方面可以獲得更好的消費體驗。這種方法只需在FS USB旁增加對HS USB的支持就可以使現(xiàn)有平臺簡單地升級到HS USB。通過兩步方式引入HS USB，OEM商可以將用于多媒體數(shù)據(jù)輸送的HS USB連接更快地推向市場，這要比整個重新設計HS USB系統(tǒng)要快得多。

以這種方式增加HS USB的另外一個原因是目前HS USB控制器支持的端點數(shù)量有限。在PC應用中，HS USB控制器通常有特殊的用途，只要求很少量的端點(也就是說對大多數(shù)應用來說4個或8個端點就足夠了)。但移動手機要利用USB提供許多功能，因此對端點的要求有顯著的提高，已經(jīng)有12個或16個甚至多至20個端點的建議。移動手機支持的功能例子(每個功能要求一個或多個端點)包括：大容量存儲、媒體傳送協(xié)議(MTP)、modem(CDC)、設備管理、對象交換(OBEX)以及調(diào)試/測試?；谶@個原因，手機設計師可以同時使用FS和HS USB數(shù)據(jù)路徑來支持比單獨使用HS USB數(shù)據(jù)路徑更多的端點。

全速和高速做在一起

那么如何在支持FS USB的現(xiàn)有手機OEM設計中增加HS USB功能呢？顯然，不能簡單地作為獨立實體增加，否則手機上需要兩個迷你或微型USB連接器，這樣做只會增加成本，并使用戶感到困惑。最具性價比也能減少用戶困惑的方法是，將兩個USB數(shù)據(jù)管道合并到一個連接器上(圖1)。

每個設計過高速信號的設計師都知道，雖然FS鏈路僥幸能滿負荷工作，但HS鏈路可能根本無法建立。這是因為FS走線會成為HS傳輸線的分支和天線，從而引起信號質(zhì)量的嚴重下降以及信號眼圖的關閉。這種結(jié)構(gòu)還需要假設HS和FS USB輸出可以支持某種類型的三態(tài)模式才能使設計成功(也就是在FS工作時HS信號呈三態(tài)，反之亦然)。這是大多數(shù)USB設備無法支持的功能，也是PC等傳統(tǒng)設備所無法支持的。對PC來說，有多個連接器是很正常的，根本無需將多個USB信號合并到一個連接器上。

隔離全速和高速信號走線

因此工程師必須完全隔離FS和HS USB信號走線。目前將HS USB集成進移動手機的最佳方法是增加HS路徑，并通過信號開關與現(xiàn)有FS路徑實現(xiàn)復接(圖2)。

雖然這樣做似乎非常簡單，但在HS信號完整性方面確實會引起許多實際問題。事實上，它可能會導致USB一致性測試的失敗。即使市場上有專門用于HS USB應用的開關，在某種程度上也會降低眼圖質(zhì)量，在某些情況下甚至不能通過一致性測試。當選擇開關和布局電路板時必須考慮許多因素，但先讓我們看看沒有開關的理想HS USB數(shù)據(jù)路徑。

在設計HS USB數(shù)據(jù)路徑時，電路板設計師必須優(yōu)化對多個因素的控制，以便創(chuàng)建干凈的眼圖。首先，D+和D-線的走線阻抗必須是45Ω，以匹配在接收器件的D+和D-管腳的輸入端看到的內(nèi)部阻抗。如此形成的合適電壓分壓器可以提供兼容HS邏輯高電平的400mV電壓。另外一個方面是D+和D-走線的長度匹配。假設沒有其它復雜因素，如ESD或EMI保護器件，那么這樣就可以提供漂亮的眼圖(圖3)。

當開關被插入數(shù)據(jù)路徑時，失真就會產(chǎn)生。至于何種失真、失真到何種程度則取決于開關的特性。第一步是查看開關的開關速度。開關速度必須能夠達到480Mbits/s(等效于240MHz)才能兼容HS USB。如果不能達到，那么這種開關就不應該選用。最可能的情況是開關聲明專用于HS USB應用，那么基本上就沒什么問題。

可能被忽視但是最重要的第二個特性是開關的串聯(lián)電阻(RON)。串聯(lián)電阻越大，眼圖就越扁。在試圖獲得USB-IF認證時這將是最大的問題。

下例說明了較高的串聯(lián)電阻會如何影響眼圖。假設開關A的典型串聯(lián)電阻值是5Ω，開關B的典型串聯(lián)電阻值是10Ω。在使用開關A的情況下，總的走線串聯(lián)電阻值是50Ω，而不再是45Ω。在做過簡單的電壓分壓計算后可以得到邏輯高電平為379mV，而不是要求的400mV。該規(guī)范對400mV要求提供了10%的容差，因此360mV邏輯高電平仍在規(guī)定范圍內(nèi)。當插入開關B時，它將增加10Ω的串聯(lián)電阻，從而使總的走線阻抗達到55Ω。這將導致360mV的邏輯高電平，不再有誤差余量?？紤]到終端電阻和走線阻抗的額外誤差，對兼容抱有希望將是不切實際的想法。

圖3中左下角的眼圖代表信號路徑中的走線串聯(lián)阻抗增加了10Ω。要注意的是，上下邊界由于走線串聯(lián)電阻的增加被壓扁了。雖然這仍是一個合格的眼圖，但誤差余量實在是太小了。

即使增加開關電阻后電平仍落在可接受的范圍內(nèi)，但在考慮了各種容差后，開關可能以另外的方式影響眼圖。開關還會增加走線的電容，從而降低邊沿斜率(上升和下降沿)。這將導致眼圖陰影區(qū)域的角部被裁剪掉，無法滿足規(guī)定要求。

比如假設開關A的電容是5pF，開關B的電容是15pF。圍繞眼圖陰影部分的區(qū)域(余量)將由于開關B比開關A多出10pF的電容而減少50%。目前典型開關在打開時的電容在6到15pF之間。圖3中右上角的眼圖是增加了15pF電容后失真的眼圖。

如果開關只是增加串聯(lián)電阻或電容，那么有可能不會引起任何問題。但現(xiàn)實情況是開關會同時增加電阻和電容，這種組合情況會導致眼圖產(chǎn)生真正的問題。假設最理想的開關具有很低的串聯(lián)電阻和電容。較低的串聯(lián)電阻會使眼圖的上下邊向中心靠攏，從而減小誤差余量。電容會使邊沿變化變得緩慢，并切入眼圖的陰影部分，最終導致HS USB信號完整性測試失敗。圖3中右下角的眼圖就是這種情況。

因此選擇具有低RON和CON 特性的開關是基于開關的設計取得成功的關鍵。

在這種設計中需要考慮的另外一個因素是要知道什么時候執(zhí)行FS和HS USB路徑的切換。在目前大多數(shù)情況下切換是用軟件完成的-例如，用戶必須人工選擇他們想使用大容量存儲還是modem模式，系統(tǒng)處理器(基帶或應用)再提供正確的信號路徑。默認模式通常是FS USB模式，因為這種模式用于工廠的診斷和制造測試。但這種方法很麻煩，也很不好用，因為它增加了使用的復雜性，可能導致尋求支持的電話增多。因此隨著時間的推移，手機設計師希望在沒有任何用戶干擾的情況下實現(xiàn)切換控制，這意味著轉(zhuǎn)向完全融合的架構(gòu)。

不久的將來，手機設計師肯定會實現(xiàn)完整的移植以支持單條USB路徑，并允許FS和HS USB共存。這需要時間去優(yōu)化這種解決方案的軟件，從而形成更先進更優(yōu)化的設計。產(chǎn)品架構(gòu)也將得到升華，最終將集成足夠數(shù)量的端點以支持手機應用。直到那時，希望支持目前的HS USB、并想使產(chǎn)品快速上市以支持滿意的用戶經(jīng)驗的手機設計師才會依賴逐步地實現(xiàn)HS USB。

在任何情況下，要想使這樣的設計取得成功，設計師必須考慮所選用的開關的 RON 和CON 參數(shù)。遵循這些建議可以使他們少花時間在USB連接調(diào)試上面，并允許移動手機設計師向市場快速提供HS USB功能。這樣用戶就可以隨心所欲地使用手機上的各種消費類多媒體功能。