THine Value 搭載Equalizer的Reverder IC可以大幅延長USB和HDMI等高速Interface的傳輸距離
2020.08.24
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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USB，HDMI和DisplayPort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，發生了訊號波形的電壓幅度變小及訊號波形被顯著干擾的現象。
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，發生了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0.3211mm的AWG 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 GHz為1.4 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2.2dB、2.5GHz為3.4dB、5.0GHz為4.9dB。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的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。
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0.3211mm的AWG 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 GHz為1.4 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2.2dB、2.5GHz為3.4dB、5.0GHz為4.9dB。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的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已將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）。
在THCX 222中，為了擴增DC和AC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）。
增益能夠細膩的設定。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值」。當中的原因是，DC增益有4種（2bit）、AC增益有8種（3bit）。而設定的最大值在Gen2對應的THCX222R10中DC增益+ 5.2 dB、AC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夠得到改善，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。
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）。
在THCX 222中，為了擴增DC和AC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）。
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夠得到改善，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、最大頻率是5GHz。而THCX222R10在5GHz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 mm的AWG30同軸Cable，5.0 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 IC的Receiver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並且能夠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HDMI、DisplayPort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）。
如前面所說，USB3.1 Gen2的數據傳輸速度是10Gbit/秒、最大頻率是5GHz。而THCX222R10在5GHz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 mm的AWG30同軸Cable，5.0 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 IC的Receiver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並且能夠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HDMI、DisplayPort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）。