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低成本效益高可靠性USB3.0系统设计

2010-12-29 17:05
FlappyBird
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  USB是当今最成功的PC接口,安装数量超过60亿,在PC和接口设备上的普及率接近100%。虽然高速USB的480Mbps数据传输速度可满足许多消费者现有的需求,但是与日俱增需求(如高清视频和更快速的数码影音文件的下载)推动了SuperSpeed USB(3.0)的发展。

  一般接口的新一代规格,其数据传输速度通常要增加两倍,而USB3.0的带宽却增加了十倍。此外,USB3.0规格不再使用简单的主从式、封包广播式的数据传输架构,而是使用更加复杂的双向封包交换架构。

  USB3.0系统设计师面临的最主要挑战是解决5Gbps信号传输速度所带来的问题,设计师必须解决包括系统对信号衰减和抖动增加的敏感度等问题。此外,USB3.0对USB2.0接口的向下兼容性让问题更复杂,因为USB2.0原本是为较低传输速率而设计。

  产品设计师碰到最大的问题也许是达到消费者延续对上一代USB产品的低价期待。USB3.0使用了双倍数据率技术,将传输速率增加到最高5Gbps,因而需要高速信号完整性的解决方案。在最长可到3米的线缆、多个接口和PCB板上的长途线路上传送高速信号,产品设计师必须谨慎处理信号衰减和抖动问题。

  

  图1:显示了发送器端的开眼图和接收器端的闭合眼图。

  信号裕度预算

  与低速信号相比,高速度信号的质量损失更加多,由PCB线路、连接器和线缆所造成的信号损耗累计起来将快速损害信号质量。根据信号裕度的要求,USB3.0容许的通道损耗(由发送器眼图到接收器的眼图)在2.5GHz下为6~9dB。此外,SuperSpeed一般有-3.5dB的去加重,这样全部的信号损耗预算为9.5~12.5dB。

  为满足兼容性要求,USB3.0信号必须可以通过3米长的线缆,并保持信号眼图开口有足够的宽度。但这只是部分的路径,因为在兼容性测试中测量的是接收器经过均衡化处理过后的信号。举例来说,在一般的笔记本电脑架构中,USB控制芯片到连接器的距离大约是10英寸,因此信号实际上可能另外经过大约半米的路径和数个连接器。

  在一般的笔记本电脑至外围设备的应用中,信号会经过长于12英寸的PCB线路(10英寸线路在笔记本电脑中,2英寸在接口设备中),这将导致3.552dB的线路损耗(12英寸x0.296dB/英寸,使用9/10/9 FR4走线,2.5GHz信号速度,不包括任何PCB导通孔)。加上每一个连接器产生的-1dB损耗,通过两个连接器产生的损耗一共是2dB,因此留给线缆的信号损耗预算只剩下5.948~8.948dB。有遮蔽差分信号对线缆、2.50GHz速度的信号衰减大约是在34AWG的4.4dB/m到26AWG的1.9dB/m范围内。表1列出了根据这些数字计算出的能符合USB3.0规范的SDP线缆的最大长度。表1中第三列到最后一列显示,如果不使用信号调节产品,即便高质量的28AWG线缆,也无法达到USB3.0规范要求的3米长度。

  产品制造商可以选择使用高质量的26AWG SDP线缆来通过认证测试,但是这种线缆非常贵,如果随产品出货,线缆的成本会大幅增加产品的成本。此外,即使随产品出货这种线缆,也无法保证使用者不会混用到其它低质量的线缆。虽然在产品上可以强调必须使用适当的线缆,但USB产品的使用者已经习惯了在连接产品时不需担心线缆的质量。这里的关键问题,是当由于使用低质量的线缆连接产品而造成产品效能低的时候,使用者会直觉地认为是产品的问题而不是线缆的问题。这可能会造成较高的产品退货率,并且大幅减少采用USB3.0规格产品的早期利润。另一个影响新科技采用率的重要因素是使用的困难度,如果使用者感觉USB3.0技术很难使用,将严重影响市场的成长。

 

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