THine Value USB和HDMI等高速接口的传送距离通过装载了均衡器的Redriver IC可大幅度延长
2020.08.24
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USB和HDMI、DisplayPort等外部设备接口的高速化正在急速进行。本连载的第一回在介绍了这一高速化的现状的同时，也阐述了其可能产生的益处和害处。事实上，这些害处影像并不小。因为会使数据的传送距离变短，根据用途不同有时可能会成为致命的问题。在本次第二回解说中，我们会着重介绍能解决这一问题的Redriver IC。使用它就能使传送距离大幅度延长。
原因在于线缆的阻力成分
USB和HDMI、DisplayPort等外部设备接口越趋高速化，其数据能传送的距离就越短。为什么会引发这一现象呢？原因在于用来传送数据的线缆所固有的电阻。
电阻有其频率特性存在。频率越高线缆的电阻越大；损耗量就会增加。其结果会使信号波形的电压振幅变小，引起信号波形大幅度混乱的现象。
电阻有其频率特性存在。频率越高线缆的电阻越大；损耗量就会增加。其结果会使信号波形的电压振幅变小，引起信号波形大幅度混乱的现象。
越高速损耗量越会增加
那么高速信号通过线缆传送时会有多大的损耗呢？
举例来说，将最大数据传送速度为10GB/秒的「USB3.1 Gen2」信号通过直径为0.3211mm的AWG28同轴线来传送1m时，此时标准的损耗量在1.25GHz的信号成分中为1.4dB、2.5GHz的成分中为2.0dB、5.0GHz的成分中为3.1dB（图1）。也就是说频率越高损耗量越大。
然后试着替换下传送信号的线缆：使用直径为0.2019mm略细的AWG32同轴线来传送1m同样信号时；此时标准的损耗量在1.25GHz的信号成分中为2.2dB、2.5GHz的成分中为3.4dB、5.0GHz的成分中为4.9dB。由此可见，线缆越细，损耗量也会增加。也就是说越容易弯曲易于使用的线缆，其损耗率越大。
信号的损耗可细分为DC(低频率)成分的损耗与AC（高频率）成分的损耗这两种。DC成分的损耗会直接使信号振幅变小。信号振幅过小，接收回路就会不能接收信号。另一方面，高频率成分的损耗则会造成眼形图无法得到充分的开口这一情况。眼形图崩溃会使信号无法正确被接收。DC成分和AC成分的任一损耗都会使可传送距离变短。
举例来说，将最大数据传送速度为10GB/秒的「USB3.1 Gen2」信号通过直径为0.3211mm的AWG28同轴线来传送1m时，此时标准的损耗量在1.25GHz的信号成分中为1.4dB、2.5GHz的成分中为2.0dB、5.0GHz的成分中为3.1dB（图1）。也就是说频率越高损耗量越大。
然后试着替换下传送信号的线缆：使用直径为0.2019mm略细的AWG32同轴线来传送1m同样信号时；此时标准的损耗量在1.25GHz的信号成分中为2.2dB、2.5GHz的成分中为3.4dB、5.0GHz的成分中为4.9dB。由此可见，线缆越细，损耗量也会增加。也就是说越容易弯曲易于使用的线缆，其损耗率越大。
信号的损耗可细分为DC(低频率)成分的损耗与AC（高频率）成分的损耗这两种。DC成分的损耗会直接使信号振幅变小。信号振幅过小，接收回路就会不能接收信号。另一方面，高频率成分的损耗则会造成眼形图无法得到充分的开口这一情况。眼形图崩溃会使信号无法正确被接收。DC成分和AC成分的任一损耗都会使可传送距离变短。
活用连续时间的线性均衡器
为了应对这些问题，THine Electronics正致力于将Redriver IC「THCX222」制品化。
这个IC是组合了连续时间的线性均衡器（CTLE：Continues Time Linear Equalizer）和Redriver的产品。将其插入外部接口中能使可传送距离延伸。
连续时间的线性均衡器（以下简称为均衡器）的作用是使线缆中损耗的信号成分通过增幅恢复到原状（图2）。
THCX222中为了对传送信号的DC成分与AC成分都进行增幅，分别设定了不同的收益。电子设备的设计者会测量线缆的损耗量，根据其大小通过外部阻力来设定其收益（图3）。
这一收益设定地非常精细。具体可细化到64通（6Bit）的设定。“与同类其他公司产品相比我们的产品设定数更多；因此更容易调整到最合适的数值”（THine Electronics）。具体是DC收益4通（2 Bit）；AC收益8通（3 Bit）。可设定的最大值为在可对应Gen2的THCX222R10商，DC收益可＋5.2dB、AC收益可＋14.8dB（图4）。
剩下2通（1Bit）是输出信号的线形性能。可选择饱和了（扭曲了）的输出信号电压的高低。选择高线形性能，可改善传送特性；但也会使消耗电力变大。因此根据适用用途不同，可选择高低就很有必要。
这个IC是组合了连续时间的线性均衡器（CTLE：Continues Time Linear Equalizer）和Redriver的产品。将其插入外部接口中能使可传送距离延伸。
连续时间的线性均衡器（以下简称为均衡器）的作用是使线缆中损耗的信号成分通过增幅恢复到原状（图2）。
THCX222中为了对传送信号的DC成分与AC成分都进行增幅，分别设定了不同的收益。电子设备的设计者会测量线缆的损耗量，根据其大小通过外部阻力来设定其收益（图3）。
这一收益设定地非常精细。具体可细化到64通（6Bit）的设定。“与同类其他公司产品相比我们的产品设定数更多；因此更容易调整到最合适的数值”（THine Electronics）。具体是DC收益4通（2 Bit）；AC收益8通（3 Bit）。可设定的最大值为在可对应Gen2的THCX222R10商，DC收益可＋5.2dB、AC收益可＋14.8dB（图4）。
剩下2通（1Bit）是输出信号的线形性能。可选择饱和了（扭曲了）的输出信号电压的高低。选择高线形性能，可改善传送特性；但也会使消耗电力变大。因此根据适用用途不同，可选择高低就很有必要。
即使用细线也能使距离延长5m
活用THCX222实际上能多大程度地延伸传送距离呢？我们按USB3.1 Gen2来考虑。
如前所述：USB3.1 Gen2的数据传送速度为10GB/秒；最大频率成分为5GHz。THCX222R10在5GHz时可使收益＋14.8dB。也就是说，可延长能使收益＋14.8dB所需的线缆长度的传送距离。
比如，直径为0.2540mm的AWG30的同轴线，其标准的损耗量在5GHz时是−3.9dB/m。因此，实际可延长的是14.8dB/3.9dB＝约3.8m的传送距离。但是实际上， USB无线电收发IC的接收回路在标准规格中被记载为能具有＋6dB的收益，包括这一部分的话就等于可延长20.6dB/3.9dB＝约5.3m的传送距离。“在虚拟实景（VR）/扩张实景（AR）终端不仅需要5m以上的线长，还要求方便弯折、使用。使用THCX222就能满足这一要求”（THine Electronics）。
当然THCX222在USB以外，也可适用于HDMI和DisplayPort等。但是使用HDMI时需要注意：在连接消减差动接口输入部的直流成分的电容器时，必须加入终端负载。
如前所述：USB3.1 Gen2的数据传送速度为10GB/秒；最大频率成分为5GHz。THCX222R10在5GHz时可使收益＋14.8dB。也就是说，可延长能使收益＋14.8dB所需的线缆长度的传送距离。
比如，直径为0.2540mm的AWG30的同轴线，其标准的损耗量在5GHz时是−3.9dB/m。因此，实际可延长的是14.8dB/3.9dB＝约3.8m的传送距离。但是实际上， USB无线电收发IC的接收回路在标准规格中被记载为能具有＋6dB的收益，包括这一部分的话就等于可延长20.6dB/3.9dB＝约5.3m的传送距离。“在虚拟实景（VR）/扩张实景（AR）终端不仅需要5m以上的线长，还要求方便弯折、使用。使用THCX222就能满足这一要求”（THine Electronics）。
当然THCX222在USB以外，也可适用于HDMI和DisplayPort等。但是使用HDMI时需要注意：在连接消减差动接口输入部的直流成分的电容器时，必须加入终端负载。