账号:
密码:
CTIMES / 文章 /   
USB 3.0十倍速设计挑战
高速率带来干扰问题难解!

【作者: 陳韋哲】2013年04月01日 星期一

浏览人次:【6615】
  


USB 3.0在2008年即已完成标准定义,在USB 2.0的广大基础下,市场对USB 3.0十倍速方案的成长非常看好,也吸引众多厂商一窝蜂的投入抢市。然而,正因十倍速的高速传输特性,造成从芯片到系统、设备等各个层面都需要重新设计与测试的难题,大大拖累整个市场建置与接受的速度。


如今标准、芯片组、驱动程序等问题虽然已大致获得解决,但在系统、设备的设计上,仍有一些难解的实务议题待克服。这些难题大多围绕在讯号的干扰与传输衰减上,包括串音、电磁干扰(EMI)和射频干扰(RFI)等三大干扰问题,以及高频传输及大电流传输的讯号衰减问题。


很显然地,USB 3.0要真正起飞,得好好先搞定系统设计上的种种问题。台湾无疑是USB 3.0的技术重镇,只要能顺利突破这些问题,相信就能更快享受到USB 3.0成长带来的果实。为此,CTIMES技术论坛特举办《USB 3.0干扰/衰减测试及解决策略》,邀请最具代表性的测试与设计实务专家,与业者共同探讨这些关键性的开发议题。


USB 3.0速度大跃进

根据研究机构IDC的预测,2015年USB3.0总出货量将极速成长至23亿,应用于储存设备的USB 3.0产品将占下过半比率。随着消费性电子产品的功能持续不断演进,越来越多应用都需要高带宽的传输速度来满足用户的使用需求,而USB 3.0正是目前所提出的最佳解决方案之一。USB 3.0不仅在数据传输速度方面比起USB 2.0快10倍之外,更能向下兼容传统的USB设备产品。


百佳泰策略事业处欧勤圣协理表示,持续演进的高画质影音需求,可说是推动USB 3.0问世最大的原动力。虽然现行USB 2.0的传输量虽可达480Mbps,但其传输速度对许多用户来说仍显不足。再加上,高容量的储存设备价格日趋平价,一再地催促着计算机厂商必须于自家产品中导入USB 3.0传输端口,好让个人计算机与支持高速传输的储存设备,两者之间能够发挥最高传输速度。



图一 : 百佳泰策略事业处欧勤圣协理
图一 : 百佳泰策略事业处欧勤圣协理

改善电力供应与节电

在技术规格的演进上,加强电源效率是USB3.0的新增重点项目之一,由于USB 2.0在低功率状态下只能提供100mA电流,以致于以往在连接需要额外供电的USB 2.0设备时,都必须要另外外接电源才能够使设备正常运作。所幸USB3.0能够供应150mA电流,比USB 2.0高出50%。此外,在USB3.0中导入了B型连接器,最高可供应1000mA电流,使用中断驱动协议来代替USB2.0的连续轮询功能,让大多的USB3.0设备都能够免除外接电源的困扰,故将可大幅改善耗电问题。


以往在USB 2.0的模式下,如果有数据要传送给主机端时,主机端会依序轮询所有连接到个人计算机的接口设备,并将数据传送到USB 2.0的设备。欧勤圣指出,在USB3.0协议规范里的两项重点分别为,加入第二个物理数据路径以及使用中断驱动协议来代替连续轮询,以便因应个人计算机或是行动置设备对于高效能产品的需求。此举让USB 3.0只会传送数据给对应的设备,当USB 3.0设备闲置时便会自动进入省电模式,所以不管是主机端或是设备端均可达到节能省电的功效。


除此之外,USB 3.0的最新电源管理功能,能让效能提升至USB2.0的10倍,而耗电量也仅增加2倍。而USB3.0亦完全向下兼容以往的USB2.0,只不过,当USB3.0设备连接到USB2.0端口时,由于只会使用一对数据线,所以不会启用超高速联机模式。


讯号衰减与抖动问题伴随USB 3.0而来

由于现今的笔记本电脑产品大多诉求轻与薄,尤其这几年超薄笔电(Ultrabook)更是蔚为风潮。也因为笔电做得太轻太薄,以致于只能在超薄笔电之键盘的某一部份放入更多的零件模块。然而,硕讯科技总经理蔡遥明指出:「在追求轻薄下衍生了不少状况,例如USB 3.0、HDMI及Display Port等高速传输模块会产生EMI幅射,进而导致无线网络之传输与接收感度恶化,甚至断线等状况。」


图二 : 硕讯科技总经理蔡遥明
图二 : 硕讯科技总经理蔡遥明

而USB 3.0数据传输速度比起以往更加快速,加上数据传输端口与Wireless LAN天线做得更接近,如此一来,当连接上USB 3.0装置时,势必造成无线网络之接收感度恶化。再者,由于USB 3.0必须向下兼容传统的USB 2.0,却也使得兼容性问题变得更为复杂,以致于USB 3.0系统设计师所要面临的挑战为:该如何解决伴随5Gbps讯号传输速度而来的问题,以及系统对讯号衰减、抖动增加之敏感度种种问题。


欧勤圣表示,新的 USB 端口设计对于静电放电 (ESD) 特别敏感,只要手部的碰触便可以产生电流,而仅放电产生的能量就会让设备损坏,甚至造成完全无法使用的状况。这不仅为用户带来困扰,对产品设计者而言,也可能因产品召回及后续的形象问题而付出昂贵的代价。


厘科科技创办人李文福则指出,由于USB3.0使用了双倍数据率技术,让传输速率一口气提升到最高5Gbps,所以更需要高速讯号完整性的解决方案。因此,想要在最长3m的缆线以及多个端口、PCB板上的线路传送高速讯号,产品开发设计师就不得不仔细处理讯号衰减以及抖动问题。



图三 : 厘科科技创办人李文福
图三 : 厘科科技创办人李文福

再加上,USB 3.0并不像USB 2.0为单纯讯号以及协议架构,而是分层式的结构,因此,在测试上就必须面面俱到做好装置的种种检测,包括从装置、Hub,直至xHCI主机端的验证步骤缺一不可。事实上在USB 2.0时期已定义了一个Gold Tree的连接方式,让系统设计师能够以较简易的方式,来验证自家产品与其他厂商的产品之间的相互操作性是否会出现状况。


USB 3.0测试方式

李文福表示,USB 3.0与现行的高速串行技术(PCI Express以及SATA)具有相似的特性,例如8bit/10bit编码、显著信道衰减及展频频率(SSC),所以了解SATA与PCIe测试方法的工程师,在着手处理USB 3.0相关的测试挑战时会较容易上手。


而USB 3.0同样沿用了类似USB 2.0的概念,仅在连接模式稍微做了些许变更,以便满足USB 3.0对于超高速、高速、满速的混合连接方式需求。由于传统的USB 2.0的连接线规范,对于讯号的损失要求较为松散,以致于根本无法满足USB 3.0的严格要求,因此,有关USB 3.0之连接线规范就必须格外严谨小心;而连接器亦是如此,所以可以透过导入S参数的方式来规范USB 3.0连接线。


广迎工业连接事业处处长钟轩禾表示,连接器是最常发生阻抗不匹配的部分,所以连接器本身的质量或是结构设计,甚至是施工时所造成的质量不良,往往都将会是发生Return Loss的原因。「当然线材本身的质量瑕疵或是施工时所使用的绑束带束绑过紧等状况,皆有可能造成Return Loss。」钟轩禾指出,对USB 3.0这类以全双工的运作模式来说,不当的Return Loss有机会造成接收讯号的错误。


图四 : 广迎工业连接事业处处长钟轩禾
图四 : 广迎工业连接事业处处长钟轩禾

USB 3.0需符合电气规范

任何端口都会有电气特性的规范,所以USB 3.0也不例外,同样必须符合电气测试规范,而USB-IF组织为了让各大厂商对于电气测试能有一致性的认知,特别规范了USB 3.0 Electrical Test Specification文件,该文件对于测试项目与测试工具有详细的描述与介绍。


百佳泰欧勤圣协理表示,USB 3.0的测试项目除了已包含所有USB 2.0的测试项目之外,另外针对USB 3.0方面,所追加的测试项目大致上有:LFPS Tx测试、LFPS Rx测试、Tx眼状图测试、Tx SSC测试、Jitter Tolerance Test。至于讯号质量分析工具,基本上还是以眼状图为主。而USB 3.0的测试规划算是相当完备,基本上都是采用最坏状况下的假设条件来进行分析测试。


对于消费者来说,除了难以接受高价位的高速传输接口外,也无法接受因讯号完整性问题所衍生的应用性能以及可靠度降低的状况。所以若在发送器以及接收器端利用讯号调节组件来恢复讯号的质量,系统工程师便能维持良好的讯号裕度,也才可以使用更长的缆线,并且得以保障产品的设计除了能够符合严格的USB3.0认证测试;当用户在使用质量较低的缆线时,亦可以确保与其它USB3.0设备维持不错的相互操作性能。



图五
图五
相关文章
UPS中配备LSIG断路器的使用建议
深度学习在机器视觉领域的机遇与挑战
机器视觉引导CTA计画第一架天文??远镜原型
电力资源正危急 让我们明智使用它
展??智慧显示制造大势 一窥纵横整合新契机
comments powered by Disqus
相关讨论
  相关新品
Arduino Motor Shield
原厂/品牌:RS
供应商:RS
產品類別:
mbed
原厂/品牌:RS
供应商:RS
產品類別:
Raspberry Pi
原厂/品牌:RS
供应商:RS
產品類別:
  相关新闻
» MIPI开发大会台北登场 根本解决5G与车用连结挑战
» MCU全面扩及智慧生活 盛群看好健康量测应用市场
» 机器手臂下阶段发展 将着重多自由度与控制系统
» 德勤:数据安全是企业导入区块链前最重要考量
» 加速IoT和智慧工业创新 ST推出Linux发行版微处理器
  相关产品
» ST:功能安全将是工业4.0的重中之重
» 伺服器48V新标准正热 Vicor三相RFM满足机架电源新挑战
» 瑞萨电子推出单一封装的简化型数位电源模组系列产品
» 智原推出新款最小面积的USB 2.0 OTG PHY IP
» 创惟发表快速读取的UHS-I读卡机控制晶片

AD


刊登廣告 新聞信箱 读者信箱 著作權聲明 隱私權聲明 本站介紹

Copyright ©1999-2019 远播信息股份有限公司版权所有 Powered by O3
地址:台北市中山北路三段29号11楼 / 电话 (02)2585-5526 / E-Mail: webmaster@ctimes.com.tw