Jedná se o integrované zařízení, které obsahuje veškerou elektroniku potřebnou pro obnovu degradovaného USB signálu.Tento článek popisuje činnost zařízení redriver a jeho použití.
USB může spolehlivě pracovat i na delší vzdálenosti
Specifikace USB předpokládala, že komunikace bude probíhat pouze mezi zařízeními na vzdálenost několika metrů, například mezi počítačem a externím pevným diskem. Specifikace USB 3.0 uvádí, že délka kabelu by měla být omezena na 3 metry, aby byla zachována celistvost signálu.
Technologie USB se ale markantně rozšířila, a proto se z praktických důvodů používá pro aplikace, které musí používat delší délky kabelů. Například připojení serveru k zobrazovacím panelům instalovanými v obchodě. Bohužel, delší kabely v kombinaci s vysokofrekvenčními signály představují problémy s integritou signálu, jako jsou vložné útlumy(insertion loss), přeslechy, mezi-symbolové přeslechy(Intersymbol interference - ISI) a následné snížení propustnosti. Existuje několik technik, které překonávají degradaci signálu.
Například, pomocí vyhlazení a zdůraznění (Emphasis a Equalization) pro zlepšení přenosových parametrů lze dosáhnout omezení vlivu vložných útlumů(insertion loss)a mezi-symbolových přeslechů (Intersymbol interference - ISI). A zvýšení zisku stejnosměrné složky pomáhá překonat ztráty způsobené přeslechy. Nicméně, návrh těchto obvodů pro opravu signálu zvyšuje složitost systému USB. Protože technologie USB používá samostatné signální páry pro vysílání a příjem, bylo by potřeba dvojnásobné množství těchto obvodů. Proto tu existuje řešení v podobě použití USB redriverů.
Příčiny degradace signálu
Problémy s degradací signálu, které se objevují v rychlé komunikaci USB nejsou pro tuto technologii žádným překvapením. Výrobky, které komunikují na větší vzdálenosti vysokou rychlostí čelí stejnému problému. Při použití krátkých kabelů dochází k poškození signálu méně často. Degradaci signálu ve vysokorychlostních komunikačních systémech je primárně způsobeno kombinací vložným útlumem(insertion loss), přeslechy a mezi-symbolové přeslechy (Intersymbol interference - ISI).
Vložný útlum(insertion loss) je výsledkem útlumu signálu způsobeného kabelem. Ztráta je úměrná délce kabelu. Přeslech může být způsoben kapacitní či indukční vazbou nebo vodivou "spojkou" sousedních nosičů signálu, která degraduje integritu přenášeného signálu. ISI nastane, když jeden symbol (diskrétní signál, který nese data a opakuje se podle nosné frekvence) narušuje předchozí symbol, což způsobuje zvýšený šum a zkreslení. ISI je úměrný jak nosné frekvenci (protože časová mezera mezi signály klesá u vyšších frekvencí), tak i délce kabelu (protože poměr signál k šumu - SNR se snižuje s délkou kabelu). Šum je součástí signálu, který nenese užitečnou informaci. Vysokorychlostní USB systémy obsahují určitý počet deterministických a náhodných odchylek od periodického signálu tzv. jitteru, který může ohrozit integritu signálu. Čím vyšší je frekvence komunikace systému, tím větší může být jitter.
Jak na degradaci signálu
Zhoršení signálu ve vysokorychlostním komunikačním systému je nevyhnutelné, ale stává se problémem pouze tehdy, když je SNR tak špatný, že některé z přenášených dat nelze na přijímači dekódovat. Výsledkem je ohrožená propustnost a v extrémních případech dochází k selhání komunikace. Inženýři vyvinuli čtyři techniky pro zvýšení SNR (signal conditioning) pro zlepšení propustnosti ve vysokorychlostních komunikačních systémech:
- Emphasis/De-Emphasis zahrnuje zesílení vysílaných frekvencí, které jsou nejvíce pravděpodobně ovlivněny šumem a následné zeslabení na straně přijímače k dosažení původního signálu.
- Vyrovnávání (Equalization ) používá filtrování, aby zajistilo, že přijatý signál odpovídá frekvenčním charakteristikám přenášeného signálu, čímž se účinně udržuje stejná frekvenční odezva po celé délce kabelu.
- Zesílení DC složky kompenzuje lineární útlum kabelu dané délky.
- Řízení rozkmitu výstupu (Output swing control) - umožňuje konfiguraci diferenciálního napětí USB, aby bylo zajištěno, že splňuje požadavky specifikace - od 0,8 do 1,2 voltů.
Optimalizaci komunikace pro konkrétní aplikaci vyžaduje rozsáhlé testování, aby se zvolily správné parametry pro úpravu signálu. Během provozu se tyto parametry musí adaptivně měnit, aby se udržel ideální signál. Adaptace není jednoduchá a stává se nepraktickou pro většinu komunikačních systémů.
Pasivní úprava signálu, přičemž jediné nastavení splňuje všechny provozní podmínky, dosahuje přiměřených výsledků za mnohem nižší náklady. Nevýhodou je, že ne vždy zajistí optimální podmínky. Spokojenost zákazníků se zajistí buď dodáním kabelu specifické délky, který byl testován právě pro danou aplikaci nebo specifikovat maximální délku kabelu.
Úprava signálu je nutná jak mezi hostitelským USB (mikroprocesor) a redriverem tak i mezi redriverem a periferií(konektor a kabel). Obvykle jsou pro každou stranu požadovány různé parametry úpravy signálu.
Řešení pomocí redriveru
USB redriver je pohodlný a poměrně levný způsob implementace úpravy signálu (bez vlivu na přenos dat) přímo do cesty USB signálu. Výrobky, jako je PI3EQX1001XUAEXod společnosti Diodes Incorporated obsahují 10 Gbit / s, 1 kanálový USB 3.1 lineární redriver, (viz obr. 1).
Obrázek 1: PI3EQX1001XUAEX Diodes Incorporated je jednoduchý způsob, jak obnovit integritu signálu v dlouhých kabelech. (Zdroj obrazu: zabudované diody)
Redriver umožňuje nastavit širokou škálu konfiguračních parametrů, čip může být umístěn co nejblíže USB konektoru na desce počítače(hostitele) nebo na vzdálenějším konci kabelu v blízkosti konektoru koncového zařízení (jak je znázorněno na obrázku 1). Většina aplikací však používá redriver na straně hostitel USB na konci kabelu.
Jednotlivé cesty na desce plošného spoje by měly být navrženy tak, aby splňovaly parametry pro vedení vysokorychlostního signálu. Například by měly být spoje vedeny sdruženě ve formě diferenciálních párů a pokud možno by měli mít stejnou impedanci. Vedení spojů by se mělo vyvarovat průchodům (prokovům) a ostrých zatáček (udržovat ohyb větší než 135˚) a cesty by měly být vztaženy k celistvé zemní rovině, aby se zabránilo nespojitosti impedance (obr. 2).
Obrázek 2: Spoje, které spojují hostitele USB se zařízením redriver a konektorem, by měly splňovat parametry pro návrh vysokorychlostního signálu. Například ohyb by měl být omezen na 135°, aby se utlumilo nežádoucímu rušení. (Zdroj obrázku: Texas Instruments)
Jedním z příkladů moderního řešení je PTN36043BXYUSB 3.0 redriver od společnosti NXP Semiconductors. Tento čip se vyznačuje nízkou spotřebou, má dva diferenční kanály, aktivní přepínač s integrovaným USB 3.0 redriver. Přepínač může směrovat dva diferenční signály pro jedno nebo dvě připojení a je navržen tak, aby minimalizoval přeslechy (obrázek 3).
Obrázek 3: USB 3.0 redriver NXP Semiconductors integruje Emphasis, vyrovnávání (Equalization), Zesílení DC složky, Řízení rozkmitu výstupu (Output swing control).
NXP USB 3.0 redriver umožňuje přizpůsobit parametry pro úpravu signálu pro každý kanál zvlášť(USB host-redriver a redriver-koncové zařízení). Navíc umožňuje kompenzaci útlumu kabelů zvýšením zisku stejnosměrné složky. Každý kanál je připojen ke dvěma pinům. Můžete si vybrat z devíti kombinací úprav signálu pro linku TX / RX na každém kanálu (viz. tabulka).
Tabulka: Devět kombinací parametrů úpravy signálu pro linky TX / RX na kanálu USB host-redriver při použití NXP redriver. Podobné možnosti jsou k dispozici i pro kanál redriver-koncové zařízení (Zdroj tabulky: NXP Semiconductors)
Vývojový kit s USB redriverem
Texas Instruments nabízí vývojový kit USB-REDRIVER-EVM USB 3.0 (obr. 4). Modul je založen na technologii TUSB501DRFR USB 3.0, jedno kanálový redriver s napětím 3,3 voltů.
Obrázek 4: Vývojový modul od TI umožňuje experimentovat s řadou konfigurací pro optimalizaci integrity signálu přímo v dané sestavě. (Zdroj obrázku: Texas Instruments)
Čip je vybaven ekvalizérem přijímače se třemi nastaveními zisku (3, 6 a 9 dB), které jsou řízeny pinem "EQ". Čip také podporuje de-emphasis a řízení rozkmitu výstupu na pinech "DE" a "OS". Hodnoty de-emphasis jsou závislé na hodnotách rozkmitu výstupu. Pokud je výstupní rozkmit nastaven na nízkou úroveň, de-emphasis lze nastavit na hodnotu mezi 0 a -6,2 dB. Při nastavení na vysokou úroveň lze nastavit hodnotu de-emphasis mezi -2,6 až -8,3 dB.
Vývojový modul je dodáván jako USB dongle a obsahuje dva čipy TUSB501 (plus třetí USB 2.0 redriver). Dongle je napájen z USB hostitele přes VBUS pin a přenáší napájecí napětí do USB portu pro napájení periferního zařízení. Jeden z čipů TUSB501 posiluje hostitelské TX linky, zatímco druhý se stará o linky RX. Výchozí parametry pro optimalizaci signálu jsou nastaveny na hodnoty, které se typicky vyskytují pro přenos a příjem na systému USB 3.0 s kabelem o délce 3 až 5 m plus 20 až 25 centimetrů signální cesty na desce plošného spoje. Zesílení stejnosměrné složky se provádí pomocí výběru vhodného odporu.
Vývojový modul umožňuje ověřit, jak změny konfiguračních parametrů redriveru ovlivňují integritu signálu. Vývojový modul slouží také jako referenční návrh, který lze přizpůsobit dané aplikaci. Je vybaven konektory USB typu A.
Testování systému pomocí připojení USB redriveru
Při testování fyzického systému je důležité si uvědomit, že redriver modifikuje signál USB a jako takový představuje vlastní příspěvek k jitteru celého systému. Tento jitter by měl být měřen, aby se zkontroloval jeho dopad na nastavení úpravy signálu.
TI doporučuje k testovaní jitteru systému používat 3 metrový kabel a hostitelskou USB desku s 60 cm stopami a redriver umístěný 5 cm od konektoru. Na vzdálenějším konci kabelu je periferní zařízení představováno PC deskou se stopami o délce 2,5 až 15 cm (obr. 5).
Obrázek 5: Testovací sestava k měření jitteru pro vysokorychlostní USB pomocí TUSB501 redriverů. Toto nastavení simuluje aplikaci, jako je například počítač připojený k periferní jednotce flash, pomocí kabelu o délce 3 m. (Zdroj obrázku: Texas Instruments)
Ideální stav je naměřit nulový jitter, což je nereálné. TI doporučuje, aby se plná kompenzace jitteru provedla do 200 pikosekund v náběžné nebo sestupné hraně signálu. (obr. 6).
Obrázek 6: Jitter ve vysokorychlostním systému USB pomocí redriverů by měl být omezen tak, aby se do 200 ps signálu provedla plná kompenzace.(Zdroj obrázku: Texas Instruments)
Závěr
Původně byl USB 3.0 určen pro kabely s maximální délkou 3 m, ale mnoho současných aplikací používá delší kabely. Vysokofrekvenční přenos signálu a prodloužení délky kabelů o více než 3 m představuje problémy s integritou signálu, které mohou ohrozit propustnost. Levné a kompaktní redrivery pro USB 3.0 nabízejí poměrně jednoduché řešení tím, že upravují vysokorychlostní signál tak, aby se dokázal přenést na větší vzdálenosti. Dodavatelé čipů nyní nabízejí připravené vývojové desky, které obsahují vše potřebné k ověření v praxi přímo v dané sestavě. Dokumentace obsahuje informace o rozložení komponent a návod, jak použít vývojovou desku jako referenční návrh pro konečný produkt.
Článek vyšel v originále "Using Redrivers to Extend the Range of High Throughput USB 3.0 Cables" na webu DigiKey.com.
