关于重定时器实现USB-C高速传输的介绍和研究

最新的USB标准即USB 3.2，将数据传输带宽提高到单通道10Gbps。USB 3.2的Super Speed USB Gen2规范提供了改进的数据编码和功效，它的速度是第一代标准(5Gbps)的两倍。USB Type-C也称USB-C，它支持最新的USB 3.2标准。全功能的USB Type-C电缆USB 3.2 Gen2标准下可支持高达10Gbps的数据传输速率，以及在DisplayPort v1.4标准下高达8.1Gbps/信道和多达4信道的显示数据传输速率。

透过电缆或印刷电路板(PCB)路径传输高速数据会显著衰减和失真讯号，这个问题的解决方案就是使用重定时器。重定时器会过滤掉传入时的抖动，同时保持符合所有功能用途的串行接口规范。其支持多种产业标准：USB 3.2规范、USB Type-C规范、VESA DisplayPort 1.4a和DisplayPort转USB-C。重定时器是协议感知的，协议层在每个链路段独立处理链路调训(图1)。

图1　重定时器架构

接收器(Rx)上的模拟比特流被转换为数字比特流。所有来自原始输入比特流的模拟信息都被删除(即抖动、反倾斜等)。在重新传输之前，数字位被锁存/分段在弹性缓冲器中。它使用本地专用的输入参考频率和锁相环。原始的比特流会被重新创建，在每个链路段都有一个理想的模拟剖面：反倾斜、发射器(Tx) FFE等。

重定时器遵从性/体系结构

USB 3.2规范对USB数据的标准内的使用重定时器是非常清晰的。USB 3.2 App E进一步阐明了支援10G和5G的两种重定时器的实现分别是独立参考频率SSC(SRIS)和BLR。重定时器的架构和设计将决定是否在第1代(5G)或第一代和第二代(分别为5G和10G)实现其延续性。10G主动重定时器解决方案的USB-C也支持5G。

・SRIS

如图2所示，这是为USB Gen2操作定义的架构，并且具有物理层协议感知以及软件透明扩展设备，创建两个独立的电子链路段。如图3所示，此架构实现了一个使用一个本地频率作为Tx的输入频率，且完全独立于Rx频率，包括SSC的独立参考频率架构。

图2　为USB Gen2操作定义的电子链路段

图3　以本地时钟作为发射机之输入时钟

・BLR

BLR只适用于USB Gen1的操作，并且具有一个物理层协议感知和软件透明扩展设备，创建两个独立的电子链路段。如图4所示，其所实现的是恢复频率架构。而如图5所示，其所使用的是从输入数据流中恢复的频率作为Tx的输入频率，与Rx频率相同。

图4　适用于USB Gen1的电子链路段

图5　以恢复时钟作为发射机的输入时终

BLR架构只针对5G进行设计的标准规范，而非10G。主机和设备上的Rx物理量不是为第2代BLR操作而设计的，10G的BLR频率开关机制没有实现，也没有测试。因此，当级联多个重定时器(两个或多个)时，不能保证第二代BLR的抖动传输的特性。主机将暴露在没有为10G设计、模拟或测试的设备中，因此无法预测BLR的行为。在USB规范和CTS中，第二代10G操作需要SRIS架构，因为在BLR中恢复的频率传输产生了太多的抖动。

级联拓扑重定时器性能表现

随着桌面PC和扩展坞，或者VR头戴设备之间对影像和数据速率的要求越来越高，通过路径中的一系列活动组件连接源和设备的使用变得越来越常见。在这种情况下，重定时器为性能和讯号完整性提供了最佳的选择。

USB 3规范明确指出了可支持调用最多四个串联的重定时器。支持DisplayPort标准的重定时器功能包括Transparent(LTTPR)Mode。其支持VESA DisplayPort 1.4a规范，并允许级联四个或更多的重定时器。

重定时器体系结构的一个固有的优点在于：它能够在其接收器上恢复讯号，从模拟域转换到数字域，并使用专用的本地参考频率在输出接口上重新传输。这种方法完全消除了输入讯号中的抖动。当重定时器设备级联(Cascade)时，每个阶段的抖动将被移除，因此不会有抖动的累积。抖动累积直接影响当在接收器处的时候睁开眼界，会导致在通道效果不佳的后果。

・低抖动/高抖动时视觉测量示例

图6为当处于低抖动并且最大开眼度的眼图。图7则显示了一个带有过多抖动的眼图，而抖动又会影响眼睛的打开。重定时器会清除每个级联设备接收器上的抖动；因此，消除抖动累积并使眼睛最大化的睁开。

图6　处于低抖动、最大开眼度的眼图

图7　带有过多抖动的眼图

重定时器应用实例

在桌面计算机和笔记本电脑系统上的实例中，系统中的USB-C端口可以只是数据端口也可以是全功能端口：一个仅支持USB 3的数据端口，另一个全功能端口是指同时可支持影像与数据的端口。为了保证USB-C连接器输出纯净的讯号，可在USB 3源和连接器之间放置一个USB 3重定时器，该定时器独立于USB-C功能。举例来说，可将重定时器放置在USB-C连接器附近。重定时器可恢复由PCB通道特性造成的全部插入损耗，最高可达23dB。提供一个纯净的USB 3讯号在输出的USB-C连接器与整个USB预算可用的外部设备，并完全符合USB 3规范。

USB-C端口仅支持数据传输

图8、图9是USB-C端口仅支持数据传输的两个实现示例。图8显示了一个典型的完全支持PD 3.0的USB-C埠实现。在这种情况下，PCH/IO Hub或类似的设备以10Gbps的速率提供USB 3数据传输。PD 3.0控制器可以协商功率输送要求并检测电缆方向。

图8　典型完全支持PD 3.0的USB-C埠示例

图9　内置CC检测逻辑的重定时器设备

而对于基本的USB数据应用，则不需要完整版本的PD控制器。在这种情况下，电力传输是固定的，通常为15W，唯一的要求是电缆方向检测。图9显示了一个内置CC检测逻辑的重定时器设备，CC检测逻辑可以从外部设备识别电缆的方向。

全功能USB-C端口

图10、图11展示了一个全功能USB-C端口的两个实现示例。一个功能齐全的USB端口可以支持以下模式：仅传输影像、仅传输数据，或者是影像数据的传输。图10展示了一个具有独立的影像和数据输出系统。影像接口为4路显示端口且速率为8.1Gbps。数据接口为单信道的USB 3且速率为10Gbps。对于这个示例，重定时器设备还实现了一个6×4 mux to接口到DisplayPort和USB 3输入接口，并提供USB-C输出。

图10　具有独立的影像和数据输出系统

图11　使用双向4x4重定时器设备直接连接到在源中的整合式USB-C mux

对于整合式USB-C mux的计算机系统，不再需要外部的6×4 mux。如图11的示例中，使用双向4×4重定时器设备直接连接到在源中的整合式USB-C mux。而应用于笔记型和桌面计算机的下一代10Gbps速率的重定时器需要具备4个重定时器菊花式链路，并且要完全符合最新的USB 3.2附录E的要求，并对USB 3.1Gen 2 10Gbps的23dB通道损耗进行损失补偿，同时满足USB 3.2CTS互操作性测试的要求。

电缆内之重定时器

重定时器可以直接放置在电缆内，可以获得更长更可靠的高速连接。当在连接器的底盘处或连接器外壳上放置一个重定时器时，可使用较薄规格的电缆和较长的电缆。

重定时器在的主动电缆两端恢复和恢复高速讯号。这使得低成本的电缆解决方案可以满足高速显示端口和USB 3.2讯号的性能和兼容性要求(图12)。

图12　全功能的USB电缆示例

重定时器在2公尺甚至是长至5公尺的主动电缆两端末尾可弥补和恢复高速讯号。这使得低成本的电缆解决方案能够满足高速显示端口和USB　3.2讯号的性能并符合要求。

智能型手机中之重定时器

高阶智慧手机连接至扩展坞和外部显示设备(如电视、VR头戴显示器等)是需要USB-C接口的重定时器。当将智能手机连接到4K电视进行直接播放流媒体时，重定时器将驱动4K影像内容。

当连接到一个使用USB 3摄像头且平均分辨率为4K×2K @90Hz的VR头戴显示器时，需要为快速数据传输提供一个并发的DisplayPort和USB 3支持：同步10Gbps高速USB 3.1，以及大数据传输的VR前置镜头。

当连接到USB-C扩展坞或Dongle时，需要超过5G USB 3.1或传统HDMI影像支持的快速USB传输。

随着智慧手机向10Gbps USB-C需求的转移，重定时器可通过USB-C实现对于在灵活的移动系统板中保持讯号完整性，以及在数据同步、扩展坞和有线移动VR等较长电缆连接应用中即将推出的应用处理器的高带宽数据和影像传输来说都是必不可少的。