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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

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。
 

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。

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。

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。

此外,THine Electronics还准备了数据传送速度高达20GB/秒的「USB3.2」规格的Redriver IC「THCX422」。USB3.2通过装置了两个10GB/秒的传送回路(lane),可实现20GB/秒高传送速度。THCX422可通过在1个芯片上集聚2个THCX222的性能来对应USB3.2规格。其样品也已开始出货。

准备了更容易使用的切换卡

使用本次介绍的Redriver IC可以简单地延长高速外部接口的传送距离。但是,需要测定使用线缆的传送特性,将DC收益和AC收益设定到最合适的数值;最终还要确认眼形图的开口是否充分。需要比较高的专业性。

“希望能更简单地延长外部接口的传送距离”。针对这一需求,THine Electronics还准备了切换卡和转换适配器。使用这些就能跳过复杂的操作完成传送距离的延长。这又是些什么制品呢?具体留待下一回专栏(第3节)介绍。

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