Erhöhung der Reichweite von USB3.0-Kabeln mit hohem Durchsatz durch Redriver

Zur Verfügung gestellt von Nordamerikanische Fachredakteure von Digi-Key

Die neuesten USB-Versionen bieten Datenübertragungsraten von bis zu 2,5 GB/s unter der Voraussetzung, dass sich das Peripheriegerät in der Nähe des Hosts befindet. Wenn USB über größere Entfernungen eingesetzt werden soll, müssen Wege gefunden werden, die Verschlechterung des Signals zu verhindern, um die für USB spezifizierten Datenübertragungsraten zu erreichen.

Es ist zwar möglich, Techniken zur Entzerrung, Akzentuierung und DC-Verstärkung einzusetzen, aber USB-Redriver sind erfolgversprechender und erlauben eine schnellere Marktreife. Es handelt sich um integrierte Bauteile mit der gesamten, zur Verhinderung von Signalverlusten erforderlichen Elektronik.

In diesem Artikel wird die Funktionsweise von Redrivern beschrieben, und anschließend werden einige Beispiele für Bauteile und ihr Einsatz vorgestellt.

USB kann gestreckt werden, aber nicht ohne Folgen

Bei der Formulierung der USB-Spezifikation wurde davon ausgegangen, dass Übertragungen nur zwischen wenige Meter voneinander entfernten Geräten stattfinden würden, z. B. zwischen einem Computer und einer externen Festplatte. Die Spezifikation von USB 3.0 legt fest, dass die Länge von Kabeln nicht mehr als 3 m betragen darf, damit die Signalintegrität erhalten bleibt. Aber die USB-Technologie ist so erfolgreich, dass sie jetzt in Fällen verwendet wird, bei denen Kabel aus praktischen Gründen länger sein müssen. Z. B. könnte ein Server an Displays innerhalb eines großen Geschäfts angeschlossen werden.

Leider kommt es bei längeren Kabeln und den bei Highspeed-Versionen von USB üblichen hochfrequenten Signalen zu Problemen mit der Signalintegrität durch Einfügedämpfung, Übersprechen, Intersymbol-Interferenz (ISI) und zu einer daraus resultierenden Verminderung des Durchsatzes.

Die Entwickler von USB-Systemen können der Verschlechterung des Signals mithilfe mehrerer Techniken entgegenwirken. Die Auswirkungen von Einfügedämpfung und ISI könnten beispielsweise durch Entzerrung und Akzentuierung begrenzt werden. Und eine Erhöhung der DC-Verstärkung trägt zur Vermeidung von Verlusten durch Übersprechen bei.

Allerdings erhöhen zusätzliche Schaltungen zur Konditionierung des Signals die Komplexität des USB-Systems, und die Herausforderungen werden noch durch die Tatsache vergrößert, dass bei der USB-Technologie für das Senden und Empfangen unterschiedliche Signalpaare verwendet werden, wodurch sich der Schaltungsaufwand verdoppelt. Hier kommen den Entwicklern die USB-Redriver zu Hilfe.

Gründe für die Verschlechterung des Signals

Das bei schneller USB-Übertragung auftretende Problem der Signalverschlechterung ist nicht auf diese Technologie beschränkt. Es betrifft alle Produkte, bei denen eine Highspeed-Übertragung eingesetzt wird. Sie betrifft auch nicht nur Installationen mit langen USB-Kabeln, aber da die Verschlechterung bei kurzen Kabeln geringer ist, ist das Problem dort geringer.

Eine Signalverschlechterung bei Highspeed-Kommunikationssystemen ist in erster Linie eine Kombination von Einfügedämpfung, Übersprechen und ISI.

Die Einfügedämpfung wird durch eine vom Kabel verursachte Leistungsdämpfung des Signals verursacht. Die Dämpfung ist proportional zur Länge des Kabels. Übersprechen ist eine kapazitive, induktive oder leitende „Kopplung“ von benachbarten Trägersignalen, die die Integrität beider Signale verschlechtert. ISI tritt auf, wenn sich ein Symbol (das diskrete Signal, das die Daten enthält und mit der Trägerfrequenz wiederholt wird) und das vorhergehende Symbol stören, was zu stärkerem Rauschen und zu Verzerrungen führt. ISI ist proportional zu beiden Trägerfrequenzen (da die zeitliche Lücke zwischen Signalen bei hohen Frequenzen kleiner wird) und zur Länge der Kabel (da der Rauschabstand mit der Länge eines Kabels sinkt). „Rauschen“ ist der Teil des Signals, der keine nützliche Information trägt.

Highspeed-USB-Systeme produzieren auch ein gewisses Maß von deterministischen und zufälligen Schwankungen („Jitter“), die hier als kleine Abweichungen von der nominellen Periodizität des Signals definiert sind, wodurch die Signalintegrität beeinträchtigt werden kann. Je höher die Kommunikationsfrequenz des Systems ist, desto größer sind die Auswirkungen von Jitter.

Eine Verschlechterung des Signals verhindern

Manche Signalverschlechterungen sind bei Highspeed-Kommunikationssystemen unvermeidlich, sie werden nur dann zu einem Problem, wenn der Rauschabstand so klein wird, dass ein Teil der übertragenen Daten vom Empfänger nicht dekodiert werden kann. Das Ergebnis ist ein schlechterer Durchsatz und in Extremfällen ein Kommunikationsfehler.

Es wurden vier Techniken zur Erhöhung des Rauschabstands (bzw. zur „Signalkonditionierung“) entwickelt, um den Durchsatz von Highspeed-Kommunikationssystemen zu verbessern.

  • Bei der Akzentuierung/Deakzentuierung werden die am ehesten vom Rauschen betroffenen Übertragungsfrequenzen verstärkt und dann am Empfänger wieder deakzentuiert, um das ursprüngliche Signal wiederherzustellen.
  • Bei der Entzerrung werden Filter verwendet, um sicherzustellen, dass das empfangene Signal den Frequenzcharakteristika des übertragenen Signals entspricht, wodurch letztlich ein flacher Frequenzgang über die gesamte Länge des Kabels aufrechterhalten wird.
  • Bei der DC-Verstärkung wird die lineare Dämpfung eines Kabels einer gegebenen Länge kompensiert.
  • Durch die Steuerung der Schwankung der Ausgangsspannung wird die Konfiguration der differenziellen USB-Spannungen ermöglicht, was die Einhaltung der Spezifikation (0,8 bis 1,2 V) sicherstellt.

Für die Optimierung der Kommunikation bei einer bestimmten Konfiguration sind ausführliche Tests erforderlich, um den Umfang der Entzerrung, Akzentuierung, DC-Verstärkung und Steuerung der Schwankung der Ausgangsspannung für die auftretenden Betriebsbedingungen zu ermitteln. Diese Informationen könnten dann während des Betriebs zur adaptiven Änderung der Parameter herangezogen werden, um ein ideales Signal aufrechtzuerhalten. In der Praxis ist eine adaptive Konditionierung des Signals aber nur für sehr kritische Kommunikationssysteme durchführbar.

Mit einer passiven Konditionierung, bei der eine einzige Einstellung alle Betriebsbedingungen erfasst, können zu weitaus geringeren Kosten vernünftige Ergebnisse erzielt werden. Der Nachteil dabei ist, dass nicht in allen Fällen optimale Bedingen garantiert sind. Die Zufriedenheit der Kunden kann sichergestellt werden, indem entweder ein Kabel einer bestimmten Länge mitgeliefert wird, das für den Einsatz mit den betreffenden Geräten getestet wurde, oder indem eine maximale Kabellänge angegeben wird.

Sowohl für den Kanal vom USB-Host (Mikroprozessor) zum Redriver als auch für den Kanal vom Redriver zum Peripheriegerät (per Steckverbinder und Kabel) ist eine Konditionierung des Signals erforderlich. Typischerweise sind für jede Seite unterschiedliche Parameter für die Signalkonditionierung erforderlich.

Einbau eines Redrivers

USB-Redriver sind ein bequemes und relativ kostengünstiges Mittel zur Implementierung einer transparenten (ohne Auswirkungen auf die Datenübertragung) Signalkonditionierung auf einem USB-Kanal. Produkte wie der PI3EQX1001XUAEX von Diodes Incorporated, ein linearer 10 Gbit/s-1-Kanal-USB 3.1-Redriver, stellen die ursprüngliche Qualität von Highspeed-USB-Signalen wieder her, bevor sie vom Endpunktgerät empfangen werden (Abbildung 1).

Bild: USB-Redriver PI3EQX1001XUAEX von Diodes Incorporated

Abbildung 1: USB-Redriver wie der PI3EQX1001XUAEX von Diodes Incorporated stellen eine bequeme Möglichkeit dar, die Signalintegrität in langen Kabeln wiederherzustellen. (Bildquelle: Diodes Incorporated)

Da Redriver einen großen Parameterbereich für ihre Konfiguration haben, kann der Chip auf der Host-USB-Platine so nahe wie möglich am Steckverbinder oder am anderen Ende des Kabels nahe am Steckverbinder des Peripheriegeräts oder des Endpunkts angebracht werden (siehe Abbildung 1). In den meisten Fällen wird der Redriver am Host-Ende des USB-Kabels angebracht.

Die Leiterbahnen auf der Platine sollten entsprechend den empfohlenen Verfahren für Highspeed-Signale verlegt werden. Z. B. sollten die Leiterbahnen zueinander passende differenzielle Paare mit kontrollierter Impedanz sein. Beim Routing sollten Durchgangslöcher und scharfe Biegungen vermieden werden (möglichst nicht unter 135°), und die Leiterbahnen sollten auf eine solide Masseebene ohne Aussparungen und Aufteilungen bezogen werden, um Ungleichmäßigkeiten der Impedanz zu vermeiden (Abbildung 2).

Schaltbild: Leiterbahnen zwischen USB-Host, Redriver und Steckverbinder

Abbildung 2: Die Leiterbahnen zwischen USB-Host, Redriver und Steckverbinder sollten nach den empfohlenen Verfahren für Highspeed-Signale verlegt werden. Biegungen sollten einen Winkel von mindestens 1350 haben, um Interferenzen zu verhindern. (Bildquelle: Texas Instruments)

Sobald die Platine und die Komponenten montiert sind, können die Parameter für die Signalkonditionierung konfiguriert werden, um die speziellen Kennwerte eines bestimmten Kanals zu erfüllen.

Ein Beispiel für ein aktuelles Produkt ist der USB3.0-Redriver PTN36043BXY von NXP Semiconductors. Bei diesem Chip handelt es sich um einen aktiven 2-zu-1-Schalter für zwei differenzielle Kanäle mit integriertem USB3.0-Redriver. Der Schalter kann zwei differenzielle Signale an eine von zwei Stellen leiten, und er ist so aufgebaut, dass er Übersprechen minimiert (Abbildung 3).

Schaltbild: USB3.0-Redriver von NXP Semiconductors

Abbildung 3: Im USB3.0-Redriver von NXP Semiconductors sind Entzerrung, Akzentuierung, DC-Verstärkung und Steuerung der Schwankung der Ausgangsspannung integriert. Die Sende- und Empfangsleitungen müssen getrennt gesteuert werden, da die Kennwerte für jede Richtung unterschiedlich sein können. Da der Redriver für USB Typ-C-Steckverbinder bestimmt ist, hat er auf der Anschlussseite je eine Twisted-Pair-Verbindung zum Senden und zum Empfangen. (Bildquelle: NXP Semiconductors)

Beim USB3.0-Redriver von NXP können Entzerrung, Akzentuierung/Deakzentuierung und die Änderungen der Ausgangsspannung für jeden Kanal (vom USB-Host zum Redriver und vom Redriver zum Peripheriegerät) einzeln angepasst werden. Darüber hinaus kann die Dämpfung des Kabels durch Erhöhung der DC-Verstärkung kompensiert werden.

An jeden der Kanäle sind zwei Steuer-Pins angeschlossen, über die Parameter für die Signalkonditionierung für eine bestimmte Gerätekonfiguration festgelegt werden können. Es kann auf jedem Kanal aus neun Kombinationen für die Signalkonditionierung auf der Sende- und Empfangsleitung gewählt werden(Tabelle).

CH1_SET1 CH1_SET2 RX_AP_± De-emphasis RX_AP_± Output Swing TX_AP_± Equalizer
LOW LOW -3,9 dB 1100 mV 3,0 dB
OFFEN -3,5 dB 900 mV 3,0 dB
HIGH 0 dB 1100 mV 3,0 dB
OFFEN LOW 0 dB 900 mV 3,0 dB
OFFEN -3,9 dB 1100 mV 0 dB
HIGH -3,5 dB 900 mV 0 dB
HIGH LOW 0 dB 1100 mV 0 dB
OFFEN 0 dB 900 mV 0 dB
HIGH -5,3 dB 1100 mV 6,0 dB

Tabelle: Beim Redriver von NXP kann auf dem Kanal vom USB-Host zum Redriver für die Sende- und Übertragungsleitungen aus neun Parameter für die Signalkonditionierung gewählt werden. Die gleichen Optionen bestehen auf dem Kanal vom Redriver zum Peripheriegerät. (Quelle der Tabelle: NXP Semiconductors)

Evaluierung von Redriver-Designs

Zur Ermittlung der optimalen Parameter für Akzentuierung, Entzerrung, DC-Verstärkung und Steuerung der Schwankung der Ausgangsspannung ist die Evaluierung eines Prototyps unter verschiedenen Betriebsbedingungen erforderlich. Die Aufgabe der Entwickler wird durch die Verfügbarkeit von Evalierungskits erleichtert.

Texas Instruments bietet z. B. das USB-Redriver-Evaluierungsmodul (EVM) USB-REDRIVER-EVM an (Abbildung 4). Das Modul basiert auf dem 3,3V-1-Kanal-USB3.0-Redriver TUSB501DRFR des Unternehmens.

Bild: Evaluierungsmodul für USB3.0-Redriver von Texas Instruments

Abbildung 4: Mit dem USB3.0-Redriver-Evaluierungsmodul können die Entwickler mit verschiedenen Konfigurationen experimentieren, um die Signalintegrität ihres Entwurfs zu optimieren. (Bildquelle: Texas Instruments)

Bei Aktivität des USB-Systems führt der TUSB501 in regelmäßigen Abständen eine Empfängererkennung auf dem TX-Paar durch. Wenn ein SuperSpeed-USB-Empfänger erkannt wird, wird die RX-Terminierung aktiviert und der TUSB501 ist für den Redrive-Vorgang bereit.

Der Chip verfügt über einen Entzerrer für den Empfänger mit drei Verstärkungseinstellungen (3, 6 und 9 dB), die über den „EQ“-Pin gesteuert werden. Auf dem Chip können auch die Deakzentuierung (De-Emphasis) und die Ausgangsschwankung (Output Swing) über den „DE“-Pin und den „OS“-Pin eingestellt werden. Die Werte für die Deakzentuierung hängen von der für die Ausgangsschwankung getroffenen Wahl ab. Wenn für die Ausgabeschwankung „Low“ festgelegt wird, können für die Deakzentuierung Werte zwischen 0 und -6,2 dB gewählt werden. Bei einer Festlegung auf „High“ sind für die Deakzentuierung Werte von -2,6 bis -8,3 dB möglich.

Das Evaluierungsmodul wird als USB-Dongle mit zwei eingebauten Redrivern vom Typ TUSB501 sowie einem USB2.0-Redriver geliefert. Das Dongle wird vom Host über den VBUS-Pin versorgt und gibt die Versorgungsspannung an den nachgeordneten Anschluss zur Versorgung des Peripheriegeräts weiter.

Einer der TUSB501-Redriver auf der Evaluierungsplatine verstärkt die Sendeleitungen, während sich die andere um die Empfangsleitungen kümmert. Die Standardwerte für die Entzerrung und Deakzentuierung werden entsprechend den beim Senden und Empfangen in einem typischen USB3.0-System mit einem Kabel von 3 bis 5 m Länge und 20 bis 25 cm langen Leiterbahnen auftretenden Werten konfiguriert. Die DC-Verstärkung wird durch Wahl eines entsprechenden Widerstands umgesetzt.

Mithilfe von Evaluierungsplatinen können die Entwickler testen, wie sich eine Änderung der Konfigurationsparameter der Redriver auf die Integrität der Sende- und Empfangs-Signalpaare eines Highspeed-USB-Systems auswirken. Das Evaluierungsmodul dient auch als Referenzdesign, das für einen beabsichtigten Zweck modifiziert werden kann. Es ist mit USB Typ-A-Buchsen und -Steckern bestückt.

Testen eines Systems mit USB-Redriver-Verbindung

Beim Testen eines physischen Systems ist es wichtig zu berücksichtigen, dass der Redriver das USB-Signal modifiziert und so auch selbst einen Beitrag zum System-Jitter leistet. Dieser Jitter sollte gemessen werden, um seine Auswirkungen auf die Einstellungen für die Signalkonditionierung zu überprüfen.

TI empfiehlt ein Testsystem mit einem 3 m langen Kabel und eine USB-Hostplatine mit 24 cm langen Leiterbahnen, in dem der Redriver in einem Abstand von 10 cm vom Steckverbinder angebracht ist. Das Peripheriegerät am anderen Ende des Kabels wird durch ein Platine mit Leiterbahnen einer Länge von 2,5 bis 15 cm repräsentiert (Abbildung 5).

Bild: Aufbau für einen Jitter-Test für Highspeed-USB mit TUSB501-Redrivern von Texas Instruments

Abbildung 5: Aufbau für einen Jitter-Test für Highspeed-USB mit TUSB501-Redrivern. Der Aufbau bildet eine Anwendung nach, z. B. ein über ein 3 m langes Kabel an einen PC angeschlossenes Flash-Laufwerk. (Bildquelle: Texas Instruments)

Bei einer idealen Konfiguration wäre kein Jitter vorhanden, womit garantiert wäre, dass sich eine Kompensation wie die Deakzentuierung unmittelbar nach dem Übergang hoch-niedrig/niedrig-hoch ausgewirkt hat. Da dies praktisch unmöglich ist, empfiehlt TI, den Jitter durch den Aufbau so zu begrenzen, dass die vollständige Kompensation innerhalb von 200 ps nach dem Übergang stattfindet (Abbildung 6).

Diagramm: Jitter in einem Highspeed-USB-System mit Redrivern

Abbildung 6: Der Jitter in einem Highspeed-USB-System mit Redrivern sollte so begrenzt werden, dass die vollständige Kompensation innerhalb von 200 ps nach dem Signalübergang eintritt. (Bildquelle: Texas Instruments)

Fazit

USB 3.0 war in seiner ursprünglichen Form für Kabel mit einer maximalen Länge von 2 m bestimmt, aber bei vielen aktuellen Anwendungen werden längere Kabel verwendet. Wegen der bei dieser Technologie eingesetzten hochfrequenten Signale werden bei einer Verlängerung der Kabel über 3 m hinaus Integritätsprobleme eingeführt, die den Durchsatz beeinträchtigen können. Die kostengünstigen und kompakten USB3.0-Redriver stellen eine relativ einfache Lösung dar, da sie die Entwickler in die Lage versetzen, das Highspeed-USB-Signal durch Entzerrung, Akzentuierung und DC-Verstärkung zu verbessern.

Wie oben beschrieben bieten die Elektronikhersteller jetzt betriebsbereite Evaluierungsmodule mit Redrivern an, die es einfach machen, das Zielgerät für den beabsichtigten Einsatzzweck zu testen. In den Datenblättern finden Sie Informationen zu den Komponenten und zum Platinen-Layout, sodass der Evaluierungsmodus als Referenzdesign für das Endprodukt verwendet werden kann.

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