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開發專欄

USB,HDMI,DisplayPort的高速化不能停止,因為在提高用戶優勢的同時,不長的傳輸距離也成為了問題

現在, USB、HDMI、DisplayPort等週邊的傳輸介面(Peripheral interface)的速度正在迅速發展。其背景是增加數據資料大量化。 隨著高速化,可以傳輸的數據量也隨之增加。 有著非常大的優勢。然而另一方面,因為用途的不同,高速化帶來的問題也往往令人感到困擾。主要是因為這是一個較短的傳輸距離。 這次,我們將就Peripheral interface的當前狀況,及傳輸距離短所引起的問題、對應方法進行解說。

朝高速化前進的Peripheral interface

連結電腦與其週邊裝置的Peripheral interface。其高速化正在迅速進行中(1)

Peripheral interface有各式各樣的種類。 其中最具代表性的就是「USB(Universal Serial Bus)」。 這是用於HDDSSDUSB記憶體等的儲存裝置,及連接鍵盤/滑鼠,印表機等。2008年制定的「USB 3.1 Gen 1(原始名稱為USB 3.0)」規格中,規定的數據傳輸速度為5 Gbit /秒,但到了2013年「USB 3.1 Gen 2」的標準一口氣提升到10 Gbit /秒。

另外,個人電腦、DVDBlue-Ray 播放器錄音機機上盒等影像播放器與Display, projector等連結的HDMI(High Definition Multimedia Interface)的高速化流程也正在加速中。2013年制定的HDMI 2.0規格中,數據傳輸速度為18 Gbits /秒(6 Gbits /秒×3lane),但到了僅僅4年後的2017年, HDMI 2.1規格竟高達 48 Gbit / 秒(12 Gbit /秒×4 lane)。

在個人電腦和顯示器連結的interface中還有DisplayPort2016訂立的最新標準「DisplayPort 1.4」其速度也增加到32.4 Gbit /(8.1 Gbit / ×4 lane)。

數據量增加的起因

Peripheral interface的高速化背景是數據的大容量化。例如:暢銷款的數位單眼相機機型其畫素是3000萬畫素,而在旗艦機型中畫素已經開始超過5000萬畫素。畫素增加的話,一張相片的影像數據容量也會隨之增加。以5000萬畫素機來說,如果它是RAW數據的話,一張就會超過60Mbytes,即使用JPEG壓縮也會超過17 Mbytes

況且我們很少有單拍攝一張相片的情況,通常都會連續拍好幾張。有時甚至拍攝數百張相片。如此一來,影像數據的總容量將達到數十Gbytes。而如果您使用傳輸速度為480 Mbit / 秒的USB 2.0 interface來傳輸數據的話,則可能需數小時來傳輸。 因此USB 3.0 Gen 1 / Gen 2誕生了。

另一方面,Display的高解析度也不能忽視。以個人電腦來說,正持續從WQHD2560×1140畫素)及WQXGA2560×1600畫素)朝向4K3840×2160畫素)前進。對於專業的Display而言, 4K已不再一般 ,在部分情況下將開始採用8K7680×4320畫素)。當然,如果解析度增加,則顯示的數據量也會增加。因此,高速的Peripheral interface變得不可或缺。為了因應這些用途,HDMI 2.1及DisplayPort 1.4相繼輪番登場。

伴隨高速化而帶來的痛點

Peripheral interface的高速化優點很多。能讓使用者的便利性大幅提高。但是,根據不同的用途,也可能遇到高速化所帶來的困擾。這個課題就是-傳輸距離變短了。

舉例來說,USB 2.0可以確保5公尺的傳輸距離,但是USB 3.1 Gen1卻只能傳輸23公尺的距離。而且為了確保傳輸距離,只能使用高頻衰減較穩定但比較粗的Cable(圖2)。

 
USB 3.1 Gen1通常會使用直徑5 mmAWG 30)較粗的cable。然而,cable越粗則會失去它的靈活性,從而導致發生操作上的問題。
像這樣傳輸距離變短的課題將是各個應用上致命的問題。
最極端的例子是machine vision。在machine vision的用途上,例如在工廠生產線,為了使主機和相機連接而使用Peripheral interface。過去,普遍使用Camera Link。由於傳輸距離長達810米,因此在多數情況下可以毫無疑問的將主機和相機連接。

然而,根據USB3.0規格制定的interface「USB3 Vision」,雖然具有高速化和低成本的優點,但因為規格上限制使得Passive cable的傳輸距離遠不及Camera Link標準因此,在某些情況下,也會發生因cable的長度不足而導致主機與相機無法連接的情形。Machine vision的用途上, 要求cable最少要有5m長的聲音並不少。因此,在採用USB3 Vision時,我們想方設法延長cable的長度THine Electronics)。

再者,個人電腦與家用遊戲機等和VR / ARgoggles)連接使用上,過短的傳輸距離也是一個大問題。這是因為用戶會配戴VR / AR移動。為了確保傳輸的品質將cable變短變重,用戶的行動就受到限制了。因此,市場要求cable要又長又輕又細THine Electronics)。必須使用直徑較細的cable,並同時實現超過5m的傳輸距離。

傳輸訊號大幅度衰減了

Peripheral interface傳輸距離因高速化而變短的原因在於cable的阻抗成份Impedance。Impedance 存在著頻率特性,這個隨著頻率越高也會增大高速的Peripheral interface傳輸訊號中,會含有很多頻率較高的成份(高頻成份)。因此,傳輸訊號的高頻成份也會大幅衰減(2) ,傳輸訊號的波形也會相應劣化。因此能傳輸的距的就變短了。
要解決這些問題其中一個方法就是活用Redriver IC。Redriver IC能在Peripheral interface中通過且實現延長傳輸距離的效果。(圖3)


原理是接收劣化的傳輸訊號,為已衰減的訊號頻率成份增幅,再將增幅修復到原先水準的訊號波形再次傳送出去。這就是「Redrive」。採用redriver的話不但能保持高速傳輸速度,並同時可以大幅度的延長傳送距離。

THine Electronics已經為延長高速Peripheral interface傳輸距離用途的Redriver IC「THCX222R05」產品化中且,我們還準備了搭載Redriver IC的模組(Paddle-card)轉換插頭使用模組和轉換插頭的話,能更簡單的延長Peripheral interface的傳輸距離。下一章我們會就Redriver IC技術進行詳細介紹。

(待續)

 
※各圖的補充說明

圖2 USB cable的衰減特性

是指每1m USB cable的衰减特性。頻率越高、cable越細的話衰減量就越大。AWG28的直徑為0.32mmAWG30的直徑為0.25mmAWG32的直徑為0.2mmAWG34的直徑為0.16mm(AWG是American Wire Gauge的略稱

 

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