低價位USB3.0系統(tǒng)的可靠性設(shè)計方案

USB是當(dāng)今最成功的PC接口，安裝數(shù)量超過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)計師面臨的最主要挑戰(zhàn)是解決5Gbps信號傳輸速度所帶來的問題，設(shè)計師必須解決包括系統(tǒng)對信號衰減和抖動增加的敏感度等問題。此外，USB3.0對USB2.0接口的向下兼容性讓問題更復(fù)雜，因為USB2.0原本是為較低傳輸速率而設(shè)計。

　　產(chǎn)品設(shè)計師碰到最大的問題也許是達到消費者延續(xù)對上一代USB產(chǎn)品的低價期待。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，因而需要高速信號完整性的解決方案。在最長可到3米的線纜、多個接口和PCB板上的長途線路上傳送高速信號，產(chǎn)品設(shè)計師必須謹慎處理信號衰減和抖動問題。

　　圖1：顯示了發(fā)送器端的開眼圖和接收器端的閉合眼圖。

　　信號裕度預(yù)算

　　與低速信號相比，高速度信號的質(zhì)量損失更加多，由PCB線路、連接器和線纜所造成的信號損耗累計起來將快速損害信號質(zhì)量。根據(jù)信號裕度的要求，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，這樣全部的信號損耗預(yù)算為9.5~12.5dB。

　　為滿足兼容性要求，USB3.0信號必須可以通過3米長的線纜，并保持信號眼圖開口有足夠的寬度。但這只是部分的路徑，因為在兼容性測試中測量的是接收器經(jīng)過均衡化處理過后的信號。舉例來說，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，因此信號實際上可能另外經(jīng)過大約半米的路徑和數(shù)個連接器。

　　在一般的筆記本電腦至外圍設(shè)備的應(yīng)用中，信號會經(jīng)過長于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信號速度，不包括任何PCB導(dǎo)通孔)。加上每一個連接器產(chǎn)生的-1dB損耗，通過兩個連接器產(chǎn)生的損耗一共是2dB，因此留給線纜的信號損耗預(yù)算只剩下5.948~8.948dB。有遮蔽差分信號對線纜、2.50GHz速度的信號衰減大約是在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)字計算出的能符合USB3.0規(guī)范的SDP線纜的最大長度。表1中第三列到最后一列顯示，如果不使用信號調(diào)節(jié)產(chǎn)品，即便高質(zhì)量的28AWG線纜，也無法達到USB3.0規(guī)范要求的3米長度。

　　產(chǎn)品制造商可以選擇使用高質(zhì)量的26AWG SDP線纜來通過認證測試，但是這種線纜非常貴，如果隨產(chǎn)品出貨，線纜的成本會大幅增加產(chǎn)品的成本。此外，即使隨產(chǎn)品出貨這種線纜，也無法保證使用者不會混用到其它低質(zhì)量的線纜。雖然在產(chǎn)品上可以強調(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)品時不需擔(dān)心線纜的質(zhì)量。這里的關(guān)鍵問題，是當(dāng)由于使用低質(zhì)量的線纜連接產(chǎn)品而造成產(chǎn)品效能低的時候，使用者會直覺地認為是產(chǎn)品的問題而不是線纜的問題。這可能會造成較高的產(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。另一個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USB3.0技術(shù)很難使用，將嚴重影響市場的成長。

　　圖2：與圖1相同，但在每個連接器端都有轉(zhuǎn)接驅(qū)動器。縮短(drop)“信號通道”。顯示了發(fā)送器端的開眼圖和接收器端的閉合眼圖。

　　使用信號調(diào)節(jié)技術(shù)恢復(fù)信號質(zhì)量

　　當(dāng)信號質(zhì)量由于抖動(抖動)和衰減而下降時，可以采用信號調(diào)節(jié)器件恢復(fù)信號質(zhì)量。信號調(diào)節(jié)器件也被稱做轉(zhuǎn)接驅(qū)動器(redriver)，因為信號在被傳送之前重新被驅(qū)動(redriven)。轉(zhuǎn)接驅(qū)動器可以放在發(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。

　　如果放在接收器之前，轉(zhuǎn)接驅(qū)動器可以有效打開信號眼圖的開口，從而將信號質(zhì)量恢復(fù)到可以接收的范圍內(nèi)。轉(zhuǎn)接驅(qū)動器可以調(diào)節(jié)信號、使用信號均衡的功能減少信號衰減和抖動，因此可以在更長的距離和通過多個連接器的情況下提供干凈的信號傳送通道。信號可以恢復(fù)原有的強度再次傳送，就像是將信號通道拆成數(shù)個段落，并且在每個段落恢復(fù)信號的質(zhì)量。轉(zhuǎn)接驅(qū)動器也允許產(chǎn)品設(shè)計師依照特定的應(yīng)用類型調(diào)整最佳的信號均衡效果，因此可以確保設(shè)備可以通過最嚴格的USB3.0認證要求。

　　信號調(diào)節(jié)功能可以增加信號裕度，讓產(chǎn)品設(shè)計工程師有更多的空間來擴展信號傳送距離，或更靈活地設(shè)計信號在PCB上傳送的路徑，特別是在可能要求使用較少層的PCB以達到更好的信號與接地隔離，或是有更大的機會一次設(shè)計就能通過驗證情況下。經(jīng)過改善的信號質(zhì)量不但可以給設(shè)計工程師帶來信號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，減少傳送錯誤，從而增加實際有效的信息吞吐量且讓系統(tǒng)工作更有效。