您必须知道的USB 3.0 (下)

本文作者:admin       点击: 2010-01-13 00:00
前言:
尽管USB 3.0的起飞可能延后,又面临高难度设计挑战,USB 3.0的前景依然乐观。毕竟,USB已经化身为PC与数码家电甚至手机的泛用接口王。创出梦幻价格与创出杀手级应用,乃当前的急务。消费者是等待,开发者却是要卷入猎杀游戏。

那信号损失又是怎样的底细呢?昔日的概念是阻抗损的导体损失,但是越过了Gbps的围墙之后,一种称为“介电损失(或称诱电损失)”的东西,就悄悄地上门来了。高频的国度,需要换脑。

介电损失的起因,是在介电体施加电场时,内部产生极化(Polarization);随着频率的上升,电场变化与极化变化的偏移,所发生的损失。由于频率小时,这个影响极不显著,而被忽略掉。但是,到了高频世界,影响效应显在化。想躲也避不开。

由于高频速度快,零与壹的周期短,前后位引起的符号间干渉(ISI:Inter Symbol Interference),对于传送线路的损失有所冲击。这一点,只要观察波形与眼状图,一目了然。

为了克服高速传送,信号质量的滑落;USB 3.0可以采用两道功夫来解决这个课题。分别是De-Emphasis与利用接收器等化(Receiver Equalization)。
因为迁移位与非迁移位的高频特性不一样,当善用强调迁移位的技术,使得到达接收端迁移位与非迁移位的电压位阶,没有什么差异时,ISI的影响,自然就受到了抑制。

图3是3.5dB之De-Emphasis的结果,眼状图显然变得漂亮了。
考虑到EMI电磁辐射噪声以及电力消耗的问题,USB 3.0不敢贸然采用PCI Express Rev 2.0完全一样的De-Emphasis规格。USB 3.0在传送端的De-Emphasis,抑制在3.5dB(± 0.5dB)。不足的部分,再由接收端等化来加强之。

另外一招,就是接收器等化。USB 3.0对于使用怎样的均衡器,并没有规定。导是有规定在连结轮询(Polling),送出TSEQ样式来最适化接收均衡器(配合传送线路的衰减特性)。

一般,常用的均衡器种类有:(如表1所示)
实际观看USB 3.0主机卡连接器的输出波形。芯片到连接器跑线是有点影响。(如图4所示)

有一点事项,需要略微留意。由于接收器外侧的观测信号与内部实际接收补偿后的信号,有所不同。基于这个缘故,测量仪器也必须持有均衡器。(如图5所示)
至于实际的适用方法,会随着仪器的不同,而略有差异。
当连接了3m的连接线,其眼状图如图6所示
而通过了参考均衡器的波形,信号质量改善,眼状开口明显更宽。(如图7所示)
那,原来波形与改善后的波形差异,又是如何呢?看图形吧。
在EMI的低减方面,USB 3.0下了两道药方。其一,透过Scramble处理。其

二,导入展频频率。
“Scramble”就是数据打散的意思,避免某个特定频率能量过度集中。实际上的做法是将传送数据与LFSR(Linear Feedback Shift Register)产生的随机变量做互斥或的逻辑处理。使用的多项式,与PCI Express是一样的。
展频频率SSC(Spread Spectrum Clocking)的手法,往往在PC上可以见到。它是一种将EMI峰值分散的手段。USB 3.0乃是5Gbps~4.995Gbps的Down-Spread;利用30KHz~33KHz来变动。(如图10所示)

另外,串行式接口往往会面临到的另一个课题。如果,传送端与接收端的速率有差异时,这个速度差的吸收该用怎样的策略来克服。一般的做法就是在接收端,安置一个弹性缓冲器(Elastic Buffer)的空间,来吸收补偿掉。
说来也蛮简单地,USB 3.0或PCI Express规格中会定义了SKIP指令集;藉由插入与消除,来让接收器维持均衡。USB 3.0的做法是,平均每354个符号,会插入Skip指令集。(图11)

USB 3.0当然也需要认证,才能拿到Logo。善用插拔大会(Plug Festa)不失为一种确认相互运用性的绝佳管道。USB-IF于美国设立了PIL(Platform Interoperability Lab),但仅限于会员使用。细节请到“SuperSpeed USB Platform Integration Lab”的网页看一看吧。
总之,市场终究希望看到USB 3.0方案在价格上能与USB 2.0旗鼓相当,但这将会需要一段时间。要有耐心等待,开发人员则要更加好几把劲。

[ 参考数据暨延伸阅读:]
1. USB Complete 4th Edition,Jan Axelson。
2. USB 3.0王者界面再临,陈乃塘。碁峰出版。
3. 高速传输秘技,陈乃塘。
4. Rambus Forum资料。
5. CQ Publishing网站。
6. 日经电子暨Tech-On网站。