無需重新計(jì)就可升級至高速USB手機(jī)的方法

蜂窩服務(wù)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(jī)一直在集成數(shù)碼相機(jī)(DSC)功能。
現(xiàn)在，各地商店中的大部分手機(jī)都已將數(shù)碼相機(jī)作為標(biāo)準(zhǔn)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(wù)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(jìn)手機(jī)中。這樣，當(dāng)用戶通過網(wǎng)絡(luò)下載喜愛的媒體數(shù)據(jù)時，蜂窩服務(wù)提供商就可以在收取通話費(fèi)用的同時對音樂和視頻內(nèi)容進(jìn)行收費(fèi)。

隨著移動手機(jī)不斷地集成諸如高分辨率數(shù)碼相機(jī)、PMP以及PDA等新功能，用戶需要方便地在手機(jī)和PC之間傳遞數(shù)據(jù)。作為MP3播放器(PMP)、數(shù)碼相機(jī)(DSC)、閃盤、硬盤中普遍使用的標(biāo)準(zhǔn)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(jī)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(dāng)增加了MP3播放器和高分辨率數(shù)碼相機(jī)后，F(xiàn)S USB就顯得有些落后了，因?yàn)榇藭r的手機(jī)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(jìn)行手機(jī)到PC的數(shù)據(jù)傳輸可以發(fā)現(xiàn)，采用HS USB從PC主機(jī)到手持設(shè)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(jìn)手持設(shè)備支持高達(dá)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(jìn)手持設(shè)備存儲容量更是高達(dá)80GB，此時采用全速USB的傳送時間將增加10倍，達(dá)到170小時，而高速USB只需7.3小時(440分鐘)。

目前的手機(jī)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(jī)OEM商提供在生產(chǎn)線上測試手機(jī)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(wù)來說足夠了。后者可以為用戶提供將手機(jī)作為modem使用的途徑，作為modem的手機(jī)可以連接到筆記本電腦上實(shí)現(xiàn)無線互聯(lián)網(wǎng)訪問。FS USB提供高達(dá)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(biāo)準(zhǔn)，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(biāo)準(zhǔn)，如HSDPA和HSUPA。

因?yàn)镕S USB可以為這些功能提供足夠的帶寬，手機(jī)OEM商更傾向于保留已有的技術(shù)，并在設(shè)計(jì)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(fèi)體驗(yàn)。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(shè)計(jì)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(diǎn)數(shù)量有限。在PC應(yīng)用中，HS USB控制器通常有特殊的用途，只要求很少量的端點(diǎn)(也就是說對大多數(shù)應(yīng)用來說4個或8個端點(diǎn)就足夠了)。但移動手機(jī)要利用USB提供許多功能，因此對端點(diǎn)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(diǎn)的建議。移動手機(jī)支持的功能例子(每個功能要求一個或多個端點(diǎn))包括：大容量存儲、媒體傳送協(xié)議(MTP)、modem(CDC)、設(shè)備管理、對象交換(OBEX)以及調(diào)試/測試?；谶@個原因，手機(jī)設(shè)計(jì)師可以同時使用FS和HS USB數(shù)據(jù)路徑來支持比單獨(dú)使用HS USB數(shù)據(jù)路徑更多的端點(diǎn)。

全速和高速做在一起

那么如何在支持FS USB的現(xiàn)有手機(jī)OEM設(shè)計(jì)中增加HS USB功能呢？顯然，不能簡單地作為獨(dú)立實(shí)體增加，否則手機(jī)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(shè)計(jì)過高速信號的設(shè)計(jì)師都知道，雖然FS鏈路僥幸能滿負(fù)荷工作，但HS鏈路可能根本無法建立。這是因?yàn)镕S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(yán)重下降以及信號眼圖的關(guān)閉。這種結(jié)構(gòu)還需要假設(shè)HS和FS USB輸出可以支持某種類型的三態(tài)模式才能使設(shè)計(jì)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(shè)備無法支持的功能，也是PC等傳統(tǒng)設(shè)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(jìn)移動手機(jī)的最佳方法是增加HS路徑，并通過信號開關(guān)與現(xiàn)有FS路徑實(shí)現(xiàn)復(fù)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(shí)會引起許多實(shí)際問題。事實(shí)上，它可能會導(dǎo)致USB一致性測試的失敗。即使市場上有專門用于HS USB應(yīng)用的開關(guān)，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(dāng)選擇開關(guān)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(guān)的理想HS USB數(shù)據(jù)路徑。

在設(shè)計(jì)HS USB數(shù)據(jù)路徑時，電路板設(shè)計(jì)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(shè)沒有其它復(fù)雜因素，如ESD或EMI保護(hù)器件，那么這樣就可以提供漂亮的眼圖(圖3)。

當(dāng)開關(guān)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(guān)的特性。第一步是查看開關(guān)的開關(guān)速度。開關(guān)速度必須能夠達(dá)到480Mbits/s(等效于240MHz)才能兼容HS USB。如果不能達(dá)到，那么這種開關(guān)就不應(yīng)該選用。最可能的情況是開關(guān)聲明專用于HS USB應(yīng)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(guān)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(rèn)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(shè)開關(guān)A的典型串聯(lián)電阻值是5Ω，開關(guān)B的典型串聯(lián)電阻值是10Ω。在使用開關(guān)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(jì)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(dāng)插入開關(guān)B時，它將增加10Ω的串聯(lián)電阻，從而使總的走線阻抗達(dá)到55Ω。這將導(dǎo)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(shí)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(shí)在是太小了。

即使增加開關(guān)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(guān)可能以另外的方式影響眼圖。開關(guān)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(dǎo)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(shè)開關(guān)A的電容是5pF，開關(guān)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(guān)B比開關(guān)A多出10pF的電容而減少50%。目前典型開關(guān)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(guān)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(shí)情況是開關(guān)會同時增加電阻和電容，這種組合情況會導(dǎo)致眼圖產(chǎn)生真正的問題。假設(shè)最理想的開關(guān)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(dǎo)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(guān)是基于開關(guān)的設(shè)計(jì)取得成功的關(guān)鍵。

在這種設(shè)計(jì)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(yīng)用)再提供正確的信號路徑。默認(rèn)模式通常是FS USB模式，因?yàn)檫@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?yàn)樗黾恿耸褂玫膹?fù)雜性，可能導(dǎo)致尋求支持的電話增多。因此隨著時間的推移，手機(jī)設(shè)計(jì)師希望在沒有任何用戶干擾的情況下實(shí)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(jī)設(shè)計(jì)師肯定會實(shí)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(jìn)更優(yōu)化的設(shè)計(jì)。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(diǎn)以支持手機(jī)應(yīng)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(yàn)的手機(jī)設(shè)計(jì)師才會依賴逐步地實(shí)現(xiàn)HS USB。

在任何情況下，要想使這樣的設(shè)計(jì)取得成功，設(shè)計(jì)師必須考慮所選用的開關(guān)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(jī)設(shè)計(jì)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(jī)上的各種消費(fèi)類多媒體功能。