低價(jià)位USB3.0系統(tǒng)的可靠性設(shè)計(jì)方案

USB是當(dāng)今最成功的PC接口，安裝數(shù)量超過(guò)60億，在PC和接口設(shè)備上的普及率接近100%。雖然高速USB的480Mbps數(shù)據(jù)傳輸速度可滿足許多消費(fèi)者現(xiàn)有的需求，但是與日俱增需求(如高清視頻和更快速的數(shù)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(guī)格，其數(shù)據(jù)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(guī)格不再使用簡(jiǎn)單的主從式、封包廣播式的數(shù)據(jù)傳輸架構(gòu)，而是使用更加復(fù)雜的雙向封包交換架構(gòu)。

　　USB3.0系統(tǒng)設(shè)計(jì)師面臨的最主要挑戰(zhàn)是解決5Gbps信號(hào)傳輸速度所帶來(lái)的問(wèn)題，設(shè)計(jì)師必須解決包括系統(tǒng)對(duì)信號(hào)衰減和抖動(dòng)增加的敏感度等問(wèn)題。此外，USB3.0對(duì)USB2.0接口的向下兼容性讓問(wèn)題更復(fù)雜，因?yàn)閁SB2.0原本是為較低傳輸速率而設(shè)計(jì)。

　　產(chǎn)品設(shè)計(jì)師碰到最大的問(wèn)題也許是達(dá)到消費(fèi)者延續(xù)對(duì)上一代USB產(chǎn)品的低價(jià)期待。USB3.0使用了雙倍數(shù)據(jù)率技術(shù)，將傳輸速率增加到最高5Gbps，因而需要高速信號(hào)完整性的解決方案。在最長(zhǎng)可到3米的線纜、多個(gè)接口和PCB板上的長(zhǎng)途線路上傳送高速信號(hào)，產(chǎn)品設(shè)計(jì)師必須謹(jǐn)慎處理信號(hào)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(hào)裕度預(yù)算

　　與低速信號(hào)相比，高速度信號(hào)的質(zhì)量損失更加多，由PCB線路、連接器和線纜所造成的信號(hào)損耗累計(jì)起來(lái)將快速損害信號(hào)質(zhì)量。根據(jù)信號(hào)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(hào)損耗預(yù)算為9.5~12.5dB。

　　為滿足兼容性要求，USB3.0信號(hào)必須可以通過(guò)3米長(zhǎng)的線纜，并保持信號(hào)眼圖開(kāi)口有足夠的寬度。但這只是部分的路徑，因?yàn)樵诩嫒菪詼y(cè)試中測(cè)量的是接收器經(jīng)過(guò)均衡化處理過(guò)后的信號(hào)。舉例來(lái)說(shuō)，在一般的筆記本電腦架構(gòu)中，USB控制芯片到連接器的距離大約是10英寸，因此信號(hào)實(shí)際上可能另外經(jīng)過(guò)大約半米的路徑和數(shù)個(gè)連接器。

　　在一般的筆記本電腦至外圍設(shè)備的應(yīng)用中，信號(hào)會(huì)經(jīng)過(guò)長(zhǎng)于12英寸的PCB線路(10英寸線路在筆記本電腦中，2英寸在接口設(shè)備中)，這將導(dǎo)致3.552dB的線路損耗(12英寸x0.296dB/英寸，使用9/10/9 FR4走線，2.5GHz信號(hào)速度，不包括任何PCB導(dǎo)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，因此留給線纜的信號(hào)損耗預(yù)算只剩下5.948~8.948dB。有遮蔽差分信號(hào)對(duì)線纜、2.50GHz速度的信號(hào)衰減大約是在34AWG的4.4dB/m到26AWG的1.9dB/m范圍內(nèi)。表1列出了根據(jù)這些數(shù)字計(jì)算出的能符合USB3.0規(guī)范的SDP線纜的最大長(zhǎng)度。表1中第三列到最后一列顯示，如果不使用信號(hào)調(diào)節(jié)產(chǎn)品，即便高質(zhì)量的28AWG線纜，也無(wú)法達(dá)到USB3.0規(guī)范要求的3米長(zhǎng)度。

　　產(chǎn)品制造商可以選擇使用高質(zhì)量的26AWG SDP線纜來(lái)通過(guò)認(rèn)證測(cè)試，但是這種線纜非常貴，如果隨產(chǎn)品出貨，線纜的成本會(huì)大幅增加產(chǎn)品的成本。此外，即使隨產(chǎn)品出貨這種線纜，也無(wú)法保證使用者不會(huì)混用到其它低質(zhì)量的線纜。雖然在產(chǎn)品上可以強(qiáng)調(diào)必須使用適當(dāng)?shù)木€纜，但USB產(chǎn)品的使用者已經(jīng)習(xí)慣了在連接產(chǎn)品時(shí)不需擔(dān)心線纜的質(zhì)量。這里的關(guān)鍵問(wèn)題，是當(dāng)由于使用低質(zhì)量的線纜連接產(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(rèn)為是產(chǎn)品的問(wèn)題而不是線纜的問(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(guī)格產(chǎn)品的早期利潤(rùn)。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(yán)重影響市場(chǎng)的成長(zhǎng)。

　　圖2：與圖1相同，但在每個(gè)連接器端都有轉(zhuǎn)接驅(qū)動(dòng)器?？s短(drop)“信號(hào)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(hào)調(diào)節(jié)技術(shù)恢復(fù)信號(hào)質(zhì)量

　　當(dāng)信號(hào)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(hào)調(diào)節(jié)器件恢復(fù)信號(hào)質(zhì)量。信號(hào)調(diào)節(jié)器件也被稱(chēng)做轉(zhuǎn)接驅(qū)動(dòng)器(redriver)，因?yàn)樾盘?hào)在被傳送之前重新被驅(qū)動(dòng)(redriven)。轉(zhuǎn)接驅(qū)動(dòng)器可以放在發(fā)送器和接收器之間，可以恢復(fù)、調(diào)節(jié)、再發(fā)送接收到的信號(hào)。

　　如果放在接收器之前，轉(zhuǎn)接驅(qū)動(dòng)器可以有效打開(kāi)信號(hào)眼圖的開(kāi)口，從而將信號(hào)質(zhì)量恢復(fù)到可以接收的范圍內(nèi)。轉(zhuǎn)接驅(qū)動(dòng)器可以調(diào)節(jié)信號(hào)、使用信號(hào)均衡的功能減少信號(hào)衰減和抖動(dòng)，因此可以在更長(zhǎng)的距離和通過(guò)多個(gè)連接器的情況下提供干凈的信號(hào)傳送通道。信號(hào)可以恢復(fù)原有的強(qiáng)度再次傳送，就像是將信號(hào)通道拆成數(shù)個(gè)段落，并且在每個(gè)段落恢復(fù)信號(hào)的質(zhì)量。轉(zhuǎn)接驅(qū)動(dòng)器也允許產(chǎn)品設(shè)計(jì)師依照特定的應(yīng)用類(lèi)型調(diào)整最佳的信號(hào)均衡效果，因此可以確保設(shè)備可以通過(guò)最嚴(yán)格的USB3.0認(rèn)證要求。

　　信號(hào)調(diào)節(jié)功能可以增加信號(hào)裕度，讓產(chǎn)品設(shè)計(jì)工程師有更多的空間來(lái)擴(kuò)展信號(hào)傳送距離，或更靈活地設(shè)計(jì)信號(hào)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(dá)到更好的信號(hào)與接地隔離，或是有更大的機(jī)會(huì)一次設(shè)計(jì)就能通過(guò)驗(yàn)證情況下。經(jīng)過(guò)改善的信號(hào)質(zhì)量不但可以給設(shè)計(jì)工程師帶來(lái)信號(hào)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(wěn)定性，減少傳送錯(cuò)誤，從而增加實(shí)際有效的信息吞吐量且讓系統(tǒng)工作更有效。