若是高畫質(HD)影像，資料大小高達25GB，轉送時間超過10分鐘，因此USB2.0的後續規格，USB3.0在2008年11月正式規格化，USB3.0具備以下特徵分別是:

‧ 與傳統USB2.0完全上位互換。

‧ 轉送速度是傳統USB2.0的5倍，高達5Gbps。

‧ 降低協議上的過溢(over head)現象，提高實效轉送速度。

‧ 考慮移動電子機器應用，特別強化電源管理功能。

上記2小時的高畫質(HD)影像資料，USB2.0的轉送時間超過10分鐘，相較之下USB3.0只需要2～3分鐘。表2是USB3.0與USB2.0的特性差異比較一覽。

依照轉送速度，USB分成:

‧USB1.0/1.1 → 1.5Mbps/12Mbps(LS: Low Speed/ FS: Full Speed)

‧USB2.0 → 480Mbps(HS: High Speed)

‧USB3.0 → 5.0Gbps(SS: Super Speed)

三種版本。

表2 USB3.0與USB2.0的差異比較一覽

USB3.0的特徵

三個差動對

@內文: 如圖1(a)所示，USB2.0使用2條差動信號對(pair)D+與D-，可以雙向送、收訊資料，此外纜線內部有提供USB電源，稱作Vbus的5.0V電源與GND，該結構從USB1.0/1.1問世以來，基本上沒有太大改變。

USB3.0傳送速度高達5Gbps，傳統纜線與連接器無法支援，因此不能直接沿用上記傳統架構，為確保與傳統USB的互換性，如圖1(b)所示傳統纜線與連接器之外，還追加新型5Gbps通訊用差動信號對SSRx+/SSRx-，以及SSTx+/SSTx-， 等總共4條信號線。

《圖一　USB2.0與USB3.0的信號線比較》

如圖2所示，USB3.0的纜線與連接器與傳統USB具有完全互換性，支援USB3.0的Host能夠與USB2.0的元件連接，反過來說USB3.0的元件能夠與連接USB2.0的Host連接，此時USB2.0的速度受到限制。換句話說能夠以USB3.0的5Gbps動作只有:

‧支援USB3.0的Host

‧USB3.0的纜線

‧USB3.0的元件

三者的組合。

《圖二　USB3.0的端子與cbale plug互換性》

《圖三　 USB3.0與USB2.0纜線的連接組合》

兩差動對同時收送訊

如圖4(a)所示，USB2.0為雙向同步使用2條信號線，這種方式反面缺點只能作半雙重通訊，此外送、收訊切換時，必需進行位元與文字(word)同步作業，USB3.0變成5Gbps的轉送速度，同步作業要求的時間增大，如果改成依照各封包(packet)通訊同步方式，幾乎所有時間都花費在同步圖形的傳遞，因此欠缺實用性未被採用。

如圖4(b)所示此處送、收訊使用各別同步，總共4條信號線，如此一來就不需要切換資料轉送方向，可以同時進行Host至元件，或是元件至Host的全雙向資料通訊。

《圖四　USB3.0超高速同時雙向傳遞資料》

不等待ACK轉送資料

@內文: 圖5是USB2.0與USB3.0的資料轉送波形，USB2.0的封包之間插入非0與1的共通模式(common mode)電壓期間，傳送資料後必需等待對方的承認(ACK: Acknowledgement)之後，才能再傳送下一個資料。

USB2.0是半雙重通訊使用上沒有特別問題，全雙重通訊的USB3.0，只能交互上行、下行連接，此時效率變成一半，必需改用不等待承認(ACK)反應，就能夠開始進行下一個資料傳送的瞬間(burst)轉送方式。

由圖5(b)可知，Host對元件傳送二個資料封包，元件則回傳二個承認，對第二個資料封包與第一個資料，傳遞承認的同時沒有額外的等待時間。

《圖五　 USB2.0與USB3.0的資料轉送波形》

物理層的處理

接著介紹USB3.0進行5Gbps的通訊技術。圖5是USB2.0與USB3.0的物理層送、收訊電路方塊圖，USB3.0的變更部位分別如下:

a. 追加資料打散(scramble)

b. 變更編碼方式

c. 追加接收機等化器(receiver equalizer)

d. 追加展頻式時脈(SSC: Spectrum Spread Clock)

《圖六　 USB3.0的物理層追加、變更功能》

類似USB等序列(serial)通訊，必需將時脈埋入序列資料的位元列，構成所謂的自我同步(embedded clock)通訊，如圖7所示收訊端從資料抽出時脈，再以該時脈將資料當作樣品，收訊端將0、1的變化轉換成包含複數位元的圖案送訊，使埋入的時脈可以再生，該轉換稱作「編碼化」。

USB3.0則變更USB2.0的編碼方式，如圖8所示相較於USB2.0的資料，USB3.0是以不歸零就反向的方式(NRZI:Non Return to Zero Invert,)進行編碼。

《圖七　 USB3.0的收訊作業》

《圖八　 USB2.0的資料表示方式》

如圖9所示USB3.0使用8b/10b的編碼方式，8b/10b經常使用在Serial ATA與PCI Express的編碼，因此可以輕易將既有的物物理層(PHY: Physical Layer)沿用於USB3.0。

上記編碼方法送訊資料位元0時，NRZI會改變目前的信號強度(level)(例如0強度時變成1，反過來說強度時變成0)，資料位元1時維持目前信號的強度。

《圖九　 USB3.0的資料表示方式》

NRZI連續六個1的情況，送訊端會插入0，收訊端進行刪除0的處理，透過所謂位元填塞(bit stuff)，就能夠保證六個位元內，一定會發生0/1的反相，收訊端就可以進行時脈再生。

USB3.0使用8b/10b，8位元的資料轉換成10位元進行送、收訊，它具備以下特徵:

‧ 即使連續0或是1的資料，包含許多0與1的變化，被編碼成位元的圖

案，在收訊端就能夠輕易進行時脈再生。

‧ 0與1的全部被編成相同碼，因此可以作已經取得DC平衡的AC整合。

‧ 編碼空間擴大8位元256類資料以外，追加所謂K碼的控制用碼。

‧ 碼具有冗長性(1024通之中，實際只佣256+K碼)，某種程度可以檢

測錯誤。

‧ 資料轉送率高達80%(使用10位元，8轉送位元資料)。

所謂打散(scramble)是指持續輸出相同資料，也不會反覆相同位元圖形(bit pattern)，雖然將資料與亂數當作XOR同樣可以實現上記目的，不過將實際亂數當作XOR，在收訊端無法回復成原來的資料，因此目前大多都使用疑似亂數列。打散具備以下效果:

‧ 輸出的信號頻率頻譜(spectrum)不會偏向特定頻率，能夠均勻分散。

‧ 1與0均勻分散，時脈資料還原(clock data recovery)電路的位元追蹤性變好。

‧ 抖動(jitter)現象降低。

圖10是00h(8b/10b轉換後的D10.2碼)有無打散時，輸出的頻率頻譜特性，由圖可知無打散時特定頻率發生峰值，不過施加打散後該峰值就被分散。

無打散時連續輸出00h，因此位元圖形變成一定，頻率出現峰值，反過來說09h、E5h、72h、3Dh等亂數列打散(XOR)時，輸出資料變成09h、E5h、72h、3Dh，位元變化的圖形則變成「隨機(random)」狀態，因此頻率分佈擴大。

《圖十　有(右)無(左)scramble的頻率特性比較》

USB2.0的串行解串器(SerDes:Serialization/Deserialization)使用±500ppm的時脈，USB3.0為對策電磁干擾(EMI: ElectroMagnetic Interference) ，改用展頻時脈(SSC: Spread Spectrum Clocking)方式。

使用展頻時脈(SSC)的主要目，例如上記利用打散技術，某種程度包含在信號列的頻率成份會被分散，換句話說刻意改變送訊使用的頻率，可以使頻率成份更分散，對策電磁干擾(EMI對策變得更容易，因此USB3.0的時脈頻率在+0ppm～-5000ppm範圍，以33k～33kHz週期作週期性變化，時脈的中心頻率偏差允許±300ppm，配合展頻時脈的變化，頻率可以在最大+300ppm～-5300ppm的範圍內變化。

圖11是USB3.0的Host輸出信號1位元時，週期(UI: Unit Interval)的時間變化特性圖(time trand)，由圖可知時間變化在200ps與201ps之間週期性變化。

《圖十一　 頻譜擴散時脈的頻率變化》

如圖12所示，雖然USB3.0規範成容易沿用PCI Express的物理層(PHY)，不過非同步的展頻時脈與後述的接收機等化器(receiver equalizer)，與PCI Express截然不同，因此設計USB3.0必需特別注意。

《圖十二　 USB3.0發生頻率差異的原因》

傳輸線路內部具有等價性與信號傳遞方向串聯的L，以及並聯的C，信號頻率一旦變高，原傳輸路徑不易流通，而且對接地容易外漏，頻率越高損失越大，補償傳輸線路的高頻成份衰減，因此一般送訊端都會施加解除加重(de-emphasis)進行高速通訊。

如圖13所示所謂解除加重，是強化信號值變化時的輸出，比該值未變化更強，藉此補償衰減的高頻成份。USB3.0除了施加上記解除加重之外，還要求收訊端進行平均化(equalize)補償傳輸線路的衰減成份，因此實際上只要組合C與R，即使是單純的線線平均化，也能夠輕易決定規格。

《圖十三　 de-emphasis的動作原理》

圖14是USB3.0的平均化頻率特性，它利用2.5GHz附近信號的增幅，補償傳輸線路的衰減成份。

《圖十四　 de-emphasis的結果》

圖15是USB3.0主控制器(host controll)IC「μPD720200」的輸出信號，通過3m纜線與30cm基板上的追跡(trace)後的波形，由圖15(a)可知，雖然從主控制器IC輸出時已經進行解除加重，不過超過該範圍時傳輸線路的損失很大，因此到底是1還是0並不明確無法正常通訊。

圖15(b使用參考(reference)解除加重後的波形，由於1與0完全分開，因此可作穩定的通訊。

《圖十五　平均化後的的結果(a上) 平均化前的波形 (b下)平均化後的波形》

轉送速度實驗

圖16是USB3.0 Host控制IC「μPD720200」的電路方塊圖。實驗使用上記IC與模擬USB元件設備測試USB3.0的轉送速度，因此資料純屬開發期間的實驗資料，此外本實驗是在下記限制下進行測試:

①. 使用評鑑用模擬USB元件設備進行通訊，非實際USB3.0

②. 件設驅動器與韌體(Firmware)都不是最終版，此外切換(tuning)也不充裕

亦即上記轉送速度與IC並非保證值，也不是USB3.0可以獲得的性能極限。

實驗首先將64k位元的資料從元件讀入Host，圖17是利用協議分析儀擷取該轉送的試驗結果，它是以183.9μs轉送64k位元的資料，換句話說此時轉送速度變成:

64k位元÷183.9μs=356M位元/秒

雖然圖17顯示341M位元/秒，主要原因是協議分析儀造成的結果，它比1M位元=1024×1024位元計算低。

《圖十六　 USB3.0 Host控制IC的電路方塊圖》

《圖十七　 USB3.0的轉送試驗結果》

結語

以上介紹USB3.0的特徵，以及實現5Gbps通訊速度的技術。USB是目前最常見的匯流元件，廣泛應用在TV、PC、數位相機、行動電話等攜帶型數位電子機器。

隨著USB的普及化，各半導體廠商陸續開發支援IC，逐漸成為各公司競相追求的巨大消費市場。