文．Joseph Juan

USB規范是USB開發者論壇（USB IF）維護的產業標準，規定了許多個人計算機與外接接口設備間USB連接事項，比如電纜、接頭、連接協議、通訊以及電源。作為目前最新版本的USB規范，USB 3.2將數據傳輸帶寬大幅提升至10Gbps。USB 3.2 Gen2規范大幅提升了數據編碼效率，提供的速率比USB 3.1 Gen1一代提供的速率（5Gbps）快一倍。

USB Type-C（也作USB-C）支持最新的USB 3.2標準。特性完備的USB-C電纜可支持10Gbps的數據吞吐量，是USB 3.2 Gen1標準的兩倍。根據DisplayPort 1.4標準，在每路顯示輸出中該電纜支持四信道，每信道數據傳輸率可達8.1Gbps。DisplayPort則是以數據報的形式通過數字接口同時傳輸高分辨率音視頻信號，總帶寬可達32.4Gbps。高速的數據傳輸率和常見的嵌入式時鐘架構的結合，有助于在差分訊號對信道中傳輸海量的數據和影音頻號。

訊號完整性成高速訊號傳輸挑戰

高速訊號在通過電纜或印刷電路板傳輸時，衰減現象很嚴重，甚至會導致訊號畸變。訊號通常透過傳輸線路傳輸，長度為10到12英吋的傳輸線路導致的通道插入損耗達20dB或更高。此外，反射、串擾、雜波訊號和散射都會導致訊號完整性與眼圖區間惡化。訊號傳輸距離增加導致訊號衰減程度加重且訊號質量下降，進而導致數據位錯誤，無法在遠程或接收端成功復原傳輸的訊號。

為避免或減輕這種現象，須為數據傳輸率為8.1Gbps以上的串行接口設置中繼器，以濾除隨機雜波和系統噪聲，使訊號符合規范要求。中繼器通常部署在信道途中，以補償信道損耗。目前有兩種類型的中繼器：Retimer和Redriver。Retimer可對來自上游信道的訊號進行均衡，使用CDR恢復時鐘訊號，并生成數字應激訊號，傳送至下游信道。Redriver可均衡來自上游信道的訊號并將其傳送至下游通道。它的輸出訊號在輸入訊號的連續驅動下生成。Redriver不包含CDR，也不執行復位時操作。

桌機/筆電USB-C與USB-A接口訊號改善方案

在所有互聯協議中，數據傳輸速率不斷提高，對CPU的性能要求更高，進而提升整個信道的數據傳輸速率。當主流CPU供貨商不斷減小其芯片尺寸以降低功耗、維持性價比時，這種情形尤其明顯，最終導致保證訊號符合規范要求的最大傳輸路徑長度不斷縮短。

英特爾（Intel）的CNL和CFL平臺USB3.1 Gen 2應用設計指南建議OEM廠商在使用USB-C接頭時，使用基于Retimer的主動復用解決方案；在使用USB Type-A接頭時，使用Retimer方案，以保證訊號完整性，獲得更好的JTOL區間。Retimer應用必須符合USB 3.2規范的附錄E，在USB 3.2 Gen2模式下能夠提供23dB的損耗補償。

USB 3.2規范定義了以下兩種類型的Retimer：

·SRIS Retimer

在SSC無關參考時鐘（Separate Reference clock Independent of SSC， SRIS）Retimer應用中，傳輸時鐘訊號來自本地參考時鐘，與接收端復原的時鐘訊號無關。

·BLR

數據位Retimer（Bit-Level Retimer， BLR）的應用中，傳輸時鐘訊號來自接收端復原的時鐘訊號（鏈路訓練的某些階段除外）。

圖1 對桌機/筆電的USB-C插入損耗進行補償設計

圖1與圖2為對桌機/筆電的USB-C插入損耗進行補償的設計。從圖1和圖2可知，DisplayPort的插入損耗為10.7dB（數據傳輸率8.1Gbps）；USB-3的插入損耗為12.8dB（數據傳輸率10Gbps）。

圖2 對桌機/筆電的USB-C插入損耗進行補償設計

硅谷數模（Analogix）對此進行了一項測試，測試環境如下：

1. USB主機：Gigabyte GB-BSi5HA- 6200

2. 插入損耗板：15英寸（USB-C -micro-USB， FR-4）

3. Retimer（ANX7440）EVB

4. USB設備：Sandisk SSD Plus

5. 示波器：DS0Z334A（33GHZ）

圖3為測量位置與測量結果。安裝了Retimer的系統可望在主機到設備之間對最多23dB的插入損耗進行補償（圖4）。Retimer簡化了PCB布線，可以在不犧牲平臺性能的前提下，確保個人計算機主板和USB/DisplayPort電纜實現高吞吐量訊號傳輸。

圖3 USB主機訊號測試示例圖

圖4 安裝Retimer的系統對插入損耗進行補償

DisplayPort訊號改善方案

若要透過主動電纜和菊花鏈實現多個Retimer之間的無縫互通，須具備功能完備的DisplayPort Retimer，支持鏈路訓練可調PHY中繼器（LTTPR）模式和帶AUX Snooper的透明模式。

USB-A/USB-C訊號改善方案

使用菊花鏈連接多個Retimer可以在通用連接系統中實現多功能的USB-C互聯。USB-C菊花鏈提高了擴展USB-C電纜的訊號完整性。USB 3.2附錄E可確保以菊花鏈形式連接的多個Retimer之間的無縫互連，若要滿足此標準，須在USB 3路徑部署采用SRIS或BLR架構且能夠進行23dB損耗補償的Retimer。USB 3.2規范附錄E的E.1.2.1.2小節給出了Retimer連接模型的要求，該規范支持Pending_HP_Timer_timeout配置下的4-Retimer連接，適用于10-μs USB 3.2主機和設備。

4-Retimer連接指10-μs主機或設備與另一個10-μs主機或設備的連接。在這種情況下，最多可使用四個Retimer，圖5顯示了一個4-Retimer連接，其中包括一個10-μs主機和一個10-μs USB 3.1設備，它們之間透過一條主動電纜連接。而針對下一代10Gbps筆電與桌機的Retimer應可實現4-Retimer菊花鏈連接功能，滿足最新的USB 3.2規范附錄E的要求，以滿足USB 3.2 CTS互通測試要求的前提下，對USB 3.1 Gen 2 10Gbps訊號高達23dB的信道損耗進行補償。

圖5 10-μs主機與10-μs設備間的連接

中繼器不僅用于尺寸較大的PCB電路板和較長的傳輸路徑，還可用于尺寸非常小的平臺，比如智慧手機。理由如下：

1. CPU芯片組無法為各信道提供足夠的輸出驅動。

2. 部分信道會經過訊號損耗較大的PCB區域。

3. 天線附近的電磁干擾限制訊號的強度。

4. 與接頭相連的電纜會增加通道長度。

智能型手機訊號改善方案

智慧手機會連接不同的外接顯示設備，也會連接各種配件。如果不使用Retimer，智能手機內部電路板的DisplayPort 1.4接口的損耗將為8到10dB，USB 3.2界面損耗將為10到12dB，這些損耗會導致智能手機內部電路板性能下降，進而使DisplayPort 1.4數據傳輸率下降至5.4Gbps以下，使USB 3.2數據傳輸率下降至5Gbps以下。所以，應用處理器（AP）制造商通常建議將Retimer用于DisplayPort 1.4和USB 3.2的數據傳輸。

而針對下一代智慧手機設計的Retimer必須支持在各種長度的電纜上進行DisplayPort 1.4（8.1Gbps）和USB 3.1 Gen2（10Gbps）的高帶寬數據傳輸。智能手機通常采用高速USB-C接口，而下一代應用處理器在Retimer的幫助下可在USB-C接頭上實現極高的數據傳輸率，使得智能手機成為實現VR應用的理想選擇，因為連接頭戴式VR顯示器要求同時支持DisplayPort和USB 3傳輸，以通過細長電纜傳輸刷新頻率為90Hz、分辨率為4K×2K的視頻信號。

智能手機連接到USB-C接口的監視器時通常使用DisplayPort替代模式，其有兩個數據信道，在60Hz刷新頻率下最高可達4K分辨率。如果是連接USB-C配件，則通常為DisplayPort到HDMI連接，在60Hz刷新頻率下可實現4K分辨率和USB 3的數據傳輸率。Retimer能夠在上述高數據傳輸率情況下確保數據完整，并保障主機到同步設備間的影像與數據傳輸。

電纜訊號改善方案

為外殼處的接頭部署中繼器或在接頭外殼內部署中繼器時，可以使用較細較長的電纜。主動電纜在接頭內的PCB上部署了中繼器。目前市場提供用于連接USB、DisplayPort、HDMI、PCI Express、SATA和SAS等接口的主動電纜（圖6）。

圖6 主動電纜接頭內的PCB上部署中繼器

針對長電纜情況，Retimer可以在長度為2公尺、5公尺甚至7公尺的主動電纜的兩端進行訊號復原，使得低成本電纜解決方案能夠滿足高速DisplayPort和USB 3.2訊號傳輸的性能和兼容性方面的要求。

Retimer供貨商須與主流CPU和AP提供商密切合作，努力確保其訊號改善產品滿足鏈路訓練要求，提供所需的兼容性通道，并共同設計模擬模型，以進一步改進設計，提高在高速接口使用Retimer的成功率。

（本文作者為Analogix資深營銷經理）
本文來源：新通訊2018年6月號208期《技術前瞻》，如有侵權請聯系郵箱：jftougao@elecfans.com