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搭載Equalizer的Reverder IC可以大幅延長USB和HDMI等高速Interface的傳輸距離

USB和HDMI、DisplayPort等Peripheral interface的高速化正在迅速發展。在本系列的第一回中,我們介紹了此高速化的當前狀況,並且針對優缺點進行說明。其實, 這個缺點是相當麻煩的。因為數據的傳輸距離變短,而導致不同用途上有著致命的問題產生。做為第二回合,這次我們將介紹Redriver IC來解決這個問題。如果使用Redriver IC的話,則可能大幅延長傳輸的距離。

其原因是在Cable的阻抗成分

其中對USBHDMIDisplayPort等等Peripheral interface而言速度越快數據可傳輸的距離就變得越短。為什麼會出現這種現象呢?原因是,用於數據傳輸Cable的阻抗。

阻抗具有頻率的特性。頻率越高Cable的阻抗就越大,而衰減量也隨之增加。這個結果,發生訊號波形的電壓幅度變小及訊號波形被顯著干擾的現象。

隨著速度的增加,衰減量也隨之增加

那麼,高速訊號在使用Cable傳輸的過程中會減少多少呢?
假設,我們將數據傳輸速度最大10Gbits /秒的「USB3.1 Gen2」訊號,通過直徑為0.3211mmAWG 28的同軸Cable傳輸1m。此時規格中建議的訊號頻率衰減量在1.25 GHz1.4 dB,在2.5 GHz中為2.0 dB,在5.0 GHz中則為3.1 dB(圖1)。 也就是說,頻率越高,衰減越大。
 
接著,我們試著替換傳送訊號的Cable。使用直徑稍窄的0.2019mm AWG32同軸Cable一樣傳送1m。這個情況下,規格中建議的衰減量是1.25GHz訊號為2.2dB2.5GHz3.4dB5.0GHz4.9dB。由此可知的是, 隨著Cable變細,衰減量也會隨著增加。 換句話說,易於彎曲且容易使用Cable,則衰減的越多。

訊號的衰減分為兩種:一種是DC(低週波)的衰減,而另一種是AC(高週波)的衰減。DC的衰減是直接導致訊號幅度的減小。而如果訊號幅度變得太小,Receiver迴路則無法接收訊號。 另一方面,高週波的衰減則會導致在眼圖中不能充分張開的情況。 當眼圖閉起時,接收端便無法正確接收訊號。 然而,無論DC的衰減或是AC的衰減都將導致傳輸距離縮短。

活用連續時間Linear Equalizer

為了解決這些問題,THine Electronics將Redriver IC 「THCX222」產品化。這個IC是由連續時間Linear Equalizer(CTLE:Continues Time Linear Equalizer)及Driver所組成的製品。透過將其插入Peripheral interface的中間,使可傳輸的距離得以延長。

連續時間Linear Equalizer(以下稱:Equalizer)的角色是,在經過Cable衰減後將訊號增幅並恢復到原始狀態(圖2)。

THCX 222中,為了擴增DCAC兩邊的傳輸訊號,可以單獨設置各自的增益。 電子設備的設計者透過測量Cable的衰減,來設定增益的外部電阻(圖3)。
增益能細膩的設定。具體來說,可以有64種(6bit)的設定。THine Electronics:「比起競爭對手產品的設定來的多,所以我們可以調整到最佳的數」。當中的原因是,DC增益有4種(2bit)、AC增益有8種(3bit)。而設定的最大Gen2對應的THCX222R10DC增益+ 5.2 dBAC增益+14.8 dB(圖4)。
 

剩下的2種(1bit)是輸出訊號的線性性能(linearity)。可以選擇飽和(失真)輸出訊號的高低。選擇高規線性性能後雖然傳輸特性能得到改善,但也存在著耗電量變大的問題。因此,我們需要根據不同的應用進行合適的選擇。

即使是細Cable也可實現5m距離的延伸

使用THCX 222的話,實際上的傳輸距離有多大程度的延伸呢?我們試著考慮USB 3.1 Gen 2的情況。
如前面所說,USB3.1 Gen2的數據傳輸速度是10Gbit/秒、最大頻率5GHz。而THCX222R105GHz可以獲得+14.8 dB的增益。也就是說,該IC可以將傳輸範圍擴展到與增益+ 14.8dB相對應的距離。

例如,對於直徑為0.2540 mmAWG30同軸Cable5.0 GHz標準建議的衰減量為-3.9 dB / m。 因此,可以將傳輸範圍延伸至14.8 dB / 3.9 dB =大約3.8 m。 然而,實際的標準規格上要求USB transceiver ICReceiver迴路中需要有+ 6dB的增益,若加上這一點的話,將有可能可以將距離延長大約20.6 dB / 3.9 dB =5.3 m的距離。「若想在虛擬實境(VR/擴增實境(AR)的後端加上5m以上的Cable並且能簡單地佈線和處理的話,使用THCX222將可以滿足此需求」(THine Electronics)。

當然,THCX222不僅只用於USB,還可用於HDMIDisplayPort等類似的Interface之上。 但是,在使用HDMI時,請同時注意到,將切斷直流分量的Capacitor連接到差動Interface的輸入端時,還必須連接終端阻抗(Terminator)。

另外,THine Electronics也準備了符合USB3.2規格且傳輸速度高達20Gbit/THCX422」 Redriver ICUSB 3.2是使用兩條10 Gbit /秒傳輸線(lane)來達到20 Gbit /秒的高速數據傳輸速率。更具體地說,一個THCX422是由兩個THCX222所集成的,且符合USB3.2標準。 THine Electronics已經開始提供樣品

準備了更方便的Paddle card

透過使用此次介紹的Redriver IC,可以相對容易地延長高速Peripheral interfaces的傳輸距離。 然而,必須先測定做為對象Cable的傳輸特性,然後將DC增益和AC增益設定到最佳設定,以確保在最後的眼圖中能獲得足大的開口。也就是說,需要相對較高的專業知識。

「想更容易的延長Peripheral interfaces傳輸距離」。 基於這樣的聲音THine Electronics 準備了Paddle card Conversion adapter。一旦使用這些,可以在簡單輕鬆工作的情況下實現傳輸距離的延長。而究竟是甚麼樣的產品呢?我們將在下一章節(第三節)的文章中詳細描述這些類型的產品。

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