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USB 3.0十倍速設計挑戰
高速率帶來干擾問題難解!

【作者: 陳韋哲】   2013年04月01日 星期一

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USB 3.0在2008年即已完成標準定義,在USB 2.0的廣大基礎下,市場對USB 3.0十倍速方案的成長非常看好,也吸引眾多廠商一窩蜂的投入搶市。然而,正因十倍速的高速傳輸特性,造成從晶片到系統、設備等各個層面都需要重新設計與測試的難題,大大拖累整個市場建置與接受的速度。


如今標準、晶片組、驅動程式等問題雖然已大致獲得解決,但在系統、設備的設計上,仍有一些難解的實務議題待克服。這些難題大多圍繞在訊號的干擾與傳輸衰減上,包括串音、電磁干擾(EMI)和射頻干擾(RFI)等三大干擾問題,以及高頻傳輸及大電流傳輸的訊號衰減問題。


很顯然地,USB 3.0要真正起飛,得好好先搞定系統設計上的種種問題。台灣無疑是USB 3.0的技術重鎮,只要能順利突破這些問題,相信就能更快享受到USB 3.0成長帶來的果實。為此,CTIMES技術論壇特舉辦《USB 3.0干擾/衰減測試及解決策略》,邀請最具代表性的測試與設計實務專家,與業者共同探討這些關鍵性的開發議題。


USB 3.0速度大躍進

根據研究機構IDC的預測,2015年USB3.0總出貨量將極速成長至23億,應用於儲存設備的USB 3.0產品將佔下過半比率。隨著消費性電子產品的功能持續不斷演進,越來越多應用都需要高頻寬的傳輸速度來滿足使用者的使用需求,而USB 3.0正是目前所提出的最佳解決方案之一。USB 3.0不僅在數據傳輸速度方面比起USB 2.0快10倍之外,更能向下相容傳統的USB設備產品。


百佳泰策略事業處歐勤聖協理表示,持續演進的高畫質影音需求,可說是推動USB 3.0問世最大的原動力。雖然現行USB 2.0的傳輸量雖可達480Mbps,但其傳輸速度對許多使用者來說仍顯不足。再加上,高容量的儲存設備價格日趨平價,一再地催促著電腦廠商必須於自家產品中導入USB 3.0傳輸連接埠,好讓個人電腦與支援高速傳輸的儲存設備,兩者之間能夠發揮最高傳輸速度。



圖一 : 百佳泰策略事業處歐勤聖協理
圖一 : 百佳泰策略事業處歐勤聖協理

改善電力供應與節電

在技術規格的演進上,加強電源效率是USB3.0的新增重點項目之一,由於USB 2.0在低功率狀態下只能提供100mA電流,以致於以往在連接需要額外供電的USB 2.0設備時,都必須要另外外接電源才能夠使設備正常運作。所幸USB3.0能夠供應150mA電流,比USB 2.0高出50%。此外,在USB3.0中導入了B型連接器,最高可供應1000mA電流,使用中斷驅動協議來代替USB2.0的連續輪詢功能,讓大多的USB3.0設備都能夠免除外接電源的困擾,故將可大幅改善耗電問題。


以往在USB 2.0的模式下,如果有資料要傳送給主機端時,主機端會依序輪詢所有連接到個人電腦的周邊設備,並將資料傳送到USB 2.0的設備。歐勤聖指出,在USB3.0協議規範裡的兩項重點分別為,加入第二個物理資料路徑以及使用中斷驅動協定來代替連續輪詢,以便因應個人電腦或是行動置設備對於高效能產品的需求。此舉讓USB 3.0只會傳送資料給對應的設備,當USB 3.0設備閒置時便會自動進入省電模式,所以不管是主機端或是設備端均可達到節能省電的功效。


除此之外,USB 3.0的最新電源管理功能,能讓效能提升至USB2.0的10倍,而耗電量也僅增加2倍。而USB3.0亦完全向下相容以往的USB2.0,只不過,當USB3.0設備連接到USB2.0連接埠時,由於只會使用一對資料線,所以不會啟用超高速連線模式。


訊號衰減與抖動問題伴隨USB 3.0而來

由於現今的筆記型電腦產品大多訴求輕與薄,尤其這幾年超薄筆電(Ultrabook)更是蔚為風潮。也因為筆電做得太輕太薄,以致於只能在超薄筆電之鍵盤的某一部份放入更多的零件模組。然而,碩訊科技總經理蔡遙明指出:「在追求輕薄下衍生了不少狀況,例如USB 3.0、HDMI及Display Port等高速傳輸模組會產生EMI幅射,進而導致無線網路之傳輸與接收感度惡化,甚至斷線等狀況。」


圖二 : 碩訊科技總經理蔡遙明
圖二 : 碩訊科技總經理蔡遙明

而USB 3.0數據傳輸速度比起以往更加快速,加上數據傳輸連接埠與Wireless LAN天線做得更接近,如此一來,當連接上USB 3.0裝置時,勢必造成無線網路之接收感度惡化。再者,由於USB 3.0必須向下相容傳統的USB 2.0,卻也使得相容性問題變得更為複雜,以致於USB 3.0系統設計師所要面臨的挑戰為:該如何解決伴隨5Gbps訊號傳輸速度而來的問題,以及系統對訊號衰減、抖動增加之敏感度種種問題。


歐勤聖表示,新的 USB 連接埠設計對於靜電放電 (ESD) 特別敏感,只要手部的碰觸便可以產生電流,而僅放電產生的能量就會讓設備損壞,甚至造成完全無法使用的狀況。這不僅為使用者帶來困擾,對產品設計者而言,也可能因產品召回及後續的形象問題而付出昂貴的代價。


厘科科技創辦人李文福則指出,由於USB3.0使用了雙倍數據率技術,讓傳輸速率一口氣提升到最高5Gbps,所以更需要高速訊號完整性的解決方案。因此,想要在最長3m的纜線以及多個連接埠、PCB板上的線路傳送高速訊號,產品開發設計師就不得不仔細處理訊號衰減以及抖動問題。



圖三 : 厘科科技創辦人李文福
圖三 : 厘科科技創辦人李文福

再加上,USB 3.0並不像USB 2.0為單純訊號以及協議架構,而是分層式的結構,因此,在測試上就必須面面俱到做好裝置的種種檢測,包括從裝置、Hub,直至xHCI主機端的驗證步驟缺一不可。事實上在USB 2.0時期已定義了一個Gold Tree的連接方式,讓系統設計師能夠以較簡易的方式,來驗證自家產品與其他廠商的產品之間的相互操作性是否會出現狀況。


USB 3.0測試方式

李文福表示,USB 3.0與現行的高速串列技術(PCI Express以及SATA)具有相似的特性,例如8bit/10bit編碼、顯著通道衰減及展頻時脈(SSC),所以了解SATA與PCIe測試方法的工程師,在著手處理USB 3.0相關的測試挑戰時會較容易上手。


而USB 3.0同樣沿用了類似USB 2.0的概念,僅在連接模式稍微做了些許變更,以便滿足USB 3.0對於超高速、高速、滿速的混合連接方式需求。由於傳統的USB 2.0的連接線規範,對於訊號的損失要求較為鬆散,以致於根本無法滿足USB 3.0的嚴格要求,因此,有關USB 3.0之連接線規範就必須格外嚴謹小心;而連接器亦是如此,所以可以透過導入S參數的方式來規範USB 3.0連接線。


廣迎工業連接事業處處長鍾軒禾表示,連接器是最常發生阻抗不匹配的部分,所以連接器本身的品質或是結構設計,甚至是施工時所造成的品質不良,往往都將會是發生Return Loss的原因。「當然線材本身的品質瑕疵或是施工時所使用的綁束帶束綁過緊等狀況,皆有可能造成Return Loss。」鍾軒禾指出,對USB 3.0這類以全雙工的運作模式來說,不當的Return Loss有機會造成接收訊號的錯誤。


圖四 : 廣迎工業連接事業處處長鍾軒禾
圖四 : 廣迎工業連接事業處處長鍾軒禾

USB 3.0需符合電氣規範

任何連接埠都會有電氣特性的規範,所以USB 3.0也不例外,同樣必須符合電氣測試規範,而USB-IF組織為了讓各大廠商對於電氣測試能有一致性的認知,特別規範了USB 3.0 Electrical Test Specification文件,該文件對於測試項目與測試工具有詳細的描述與介紹。


百佳泰歐勤聖協理表示,USB 3.0的測試項目除了已包含所有USB 2.0的測試項目之外,另外針對USB 3.0方面,所追加的測試項目大致上有:LFPS Tx測試、LFPS Rx測試、Tx眼狀圖測試、Tx SSC測試、Jitter Tolerance Test。至於訊號品質分析工具,基本上還是以眼狀圖為主。而USB 3.0的測試規劃算是相當完備,基本上都是採用最壞狀況下的假設條件來進行分析測試。


對於消費者來說,除了難以接受高價位的高速傳輸介面外,也無法接受因訊號完整性問題所衍生的應用性能以及可靠度降低的狀況。所以若在發送器以及接收器端利用訊號調節元件來恢復訊號的品質,系統工程師便能維持良好的訊號裕度,也才可以使用更長的纜線,並且得以保障產品的設計除了能夠符合嚴格的USB3.0認證測試;當使用者在使用品質較低的纜線時,亦可以確保與其它USB3.0設備維持不錯的相互操作性能。



圖五
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