中继补偿传输信道耗损 Retimer确保讯号完整性

文．Joseph Juan

USB规范是USB开发者论坛（USB IF）维护的产业标准，规定了许多个人计算机与外接接口设备间USB连接事项，比如电缆、接头、连接协议、通讯以及电源。作为目前最新版本的USB规范，USB 3.2将数据传输带宽大幅提升至10Gbps。USB 3.2 Gen2规范大幅提升了数据编码效率，提供的速率比USB 3.1 Gen1一代提供的速率（5Gbps）快一倍。

USB Type-C（也作USB-C）支持最新的USB 3.2标准。特性完备的USB-C电缆可支持10Gbps的数据吞吐量，是USB 3.2 Gen1标准的两倍。根据DisplayPort 1.4标准，在每路显示输出中该电缆支持四信道，每信道数据传输率可达8.1Gbps。DisplayPort则是以数据报的形式通过数字接口同时传输高分辨率音视频信号，总带宽可达32.4Gbps。高速的数据传输率和常见的嵌入式时钟架构的结合，有助于在差分讯号对信道中传输海量的数据和影音频号。

讯号完整性成高速讯号传输挑战

高速讯号在通过电缆或印刷电路板传输时，衰减现象很严重，甚至会导致讯号畸变。讯号通常透过传输线路传输，长度为10到12英吋的传输线路导致的通道插入损耗达20dB或更高。此外，反射、串扰、杂波讯号和散射都会导致讯号完整性与眼图区间恶化。讯号传输距离增加导致讯号衰减程度加重且讯号质量下降，进而导致数据位错误，无法在远程或接收端成功复原传输的讯号。

为避免或减轻这种现象，须为数据传输率为8.1Gbps以上的串行接口设置中继器，以滤除随机杂波和系统噪声，使讯号符合规范要求。中继器通常部署在信道途中，以补偿信道损耗。目前有两种类型的中继器：Retimer和Redriver。Retimer可对来自上游信道的讯号进行均衡，使用CDR恢复时钟讯号，并生成数字应激讯号，传送至下游信道。Redriver可均衡来自上游信道的讯号并将其传送至下游通道。它的输出讯号在输入讯号的连续驱动下生成。Redriver不包含CDR，也不执行复位时操作。

桌机/笔电USB-C与USB-A接口讯号改善方案

在所有互联协议中，数据传输速率不断提高，对CPU的性能要求更高，进而提升整个信道的数据传输速率。当主流CPU供货商不断减小其芯片尺寸以降低功耗、维持性价比时，这种情形尤其明显，最终导致保证讯号符合规范要求的最大传输路径长度不断缩短。

英特尔（Intel）的CNL和CFL平台USB3.1 Gen 2应用设计指南建议OEM厂商在使用USB-C接头时，使用基于Retimer的主动复用解决方案；在使用USB Type-A接头时，使用Retimer方案，以保证讯号完整性，获得更好的JTOL区间。Retimer应用必须符合USB 3.2规范的附录E，在USB 3.2 Gen2模式下能够提供23dB的损耗补偿。

USB 3.2规范定义了以下两种类型的Retimer：

·SRIS Retimer

在SSC无关参考时钟（Separate Reference clock Independent of SSC， SRIS）Retimer应用中，传输时钟讯号来自本地参考时钟，与接收端复原的时钟讯号无关。

·BLR

数据位Retimer（Bit-Level Retimer， BLR）的应用中，传输时钟讯号来自接收端复原的时钟讯号（链路训练的某些阶段除外）。

图1 对桌机/笔电的USB-C插入损耗进行补偿设计

图1与图2为对桌机/笔电的USB-C插入损耗进行补偿的设计。从图1和图2可知，DisplayPort的插入损耗为10.7dB（数据传输率8.1Gbps）；USB-3的插入损耗为12.8dB（数据传输率10Gbps）。

图2 对桌机/笔电的USB-C插入损耗进行补偿设计

硅谷数模（Analogix）对此进行了一项测试，测试环境如下：

1. USB主机：Gigabyte GB-BSi5HA- 6200

2. 插入损耗板：15英寸（USB-C -micro-USB， FR-4）

3. Retimer（ANX7440）EVB

4. USB设备：Sandisk SSD Plus

5. 示波器：DS0Z334A（33GHZ）

图3为测量位置与测量结果。安装了Retimer的系统可望在主机到设备之间对最多23dB的插入损耗进行补偿（图4）。Retimer简化了PCB布线，可以在不牺牲平台性能的前提下，确保个人计算机主板和USB/DisplayPort电缆实现高吞吐量讯号传输。

图3 USB主机讯号测试示例图

图4 安装Retimer的系统对插入损耗进行补偿

DisplayPort讯号改善方案

若要透过主动电缆和菊花链实现多个Retimer之间的无缝互通，须具备功能完备的DisplayPort Retimer，支持链路训练可调PHY中继器（LTTPR）模式和带AUX Snooper的透明模式。

USB-A/USB-C讯号改善方案

使用菊花链连接多个Retimer可以在通用连接系统中实现多功能的USB-C互联。USB-C菊花链提高了扩展USB-C电缆的讯号完整性。USB 3.2附录E可确保以菊花链形式连接的多个Retimer之间的无缝互连，若要满足此标准，须在USB 3路径部署采用SRIS或BLR架构且能够进行23dB损耗补偿的Retimer。USB 3.2规范附录E的E.1.2.1.2小节给出了Retimer连接模型的要求，该规范支持Pending_HP_Timer_timeout配置下的4-Retimer连接，适用于10-μs USB 3.2主机和设备。

4-Retimer连接指10-μs主机或设备与另一个10-μs主机或设备的连接。在这种情况下，最多可使用四个Retimer，图5显示了一个4-Retimer连接，其中包括一个10-μs主机和一个10-μs USB 3.1设备，它们之间透过一条主动电缆连接。而针对下一代10Gbps笔电与桌机的Retimer应可实现4-Retimer菊花链连接功能，满足最新的USB 3.2规范附录E的要求，以满足USB 3.2 CTS互通测试要求的前提下，对USB 3.1 Gen 2 10Gbps讯号高达23dB的信道损耗进行补偿。

图5 10-μs主机与10-μs设备间的连接

中继器不仅用于尺寸较大的PCB电路板和较长的传输路径，还可用于尺寸非常小的平台，比如智慧手机。理由如下：

1. CPU芯片组无法为各信道提供足够的输出驱动。

2. 部分信道会经过讯号损耗较大的PCB区域。

3. 天线附近的电磁干扰限制讯号的强度。

4. 与接头相连的电缆会增加通道长度。

智能型手机讯号改善方案

智慧手机会连接不同的外接显示设备，也会连接各种配件。如果不使用Retimer，智能手机内部电路板的DisplayPort 1.4接口的损耗将为8到10dB，USB 3.2界面损耗将为10到12dB，这些损耗会导致智能手机内部电路板性能下降，进而使DisplayPort 1.4数据传输率下降至5.4Gbps以下，使USB 3.2数据传输率下降至5Gbps以下。所以，应用处理器（AP）制造商通常建议将Retimer用于DisplayPort 1.4和USB 3.2的数据传输。

而针对下一代智慧手机设计的Retimer必须支持在各种长度的电缆上进行DisplayPort 1.4（8.1Gbps）和USB 3.1 Gen2（10Gbps）的高带宽数据传输。智能手机通常采用高速USB-C接口，而下一代应用处理器在Retimer的帮助下可在USB-C接头上实现极高的数据传输率，使得智能手机成为实现VR应用的理想选择，因为连接头戴式VR显示器要求同时支持DisplayPort和USB 3传输，以通过细长电缆传输刷新频率为90Hz、分辨率为4K×2K的视频信号。

智能手机连接到USB-C接口的监视器时通常使用DisplayPort替代模式，其有两个数据信道，在60Hz刷新频率下最高可达4K分辨率。如果是连接USB-C配件，则通常为DisplayPort到HDMI连接，在60Hz刷新频率下可实现4K分辨率和USB 3的数据传输率。Retimer能够在上述高数据传输率情况下确保数据完整，并保障主机到同步设备间的影像与数据传输。

电缆讯号改善方案

为外壳处的接头部署中继器或在接头外壳内部署中继器时，可以使用较细较长的电缆。主动电缆在接头内的PCB上部署了中继器。目前市场提供用于连接USB、DisplayPort、HDMI、PCI Express、SATA和SAS等接口的主动电缆（图6）。

图6 主动电缆接头内的PCB上部署中继器

针对长电缆情况，Retimer可以在长度为2公尺、5公尺甚至7公尺的主动电缆的两端进行讯号复原，使得低成本电缆解决方案能够满足高速DisplayPort和USB 3.2讯号传输的性能和兼容性方面的要求。

Retimer供货商须与主流CPU和AP提供商密切合作，努力确保其讯号改善产品满足链路训练要求，提供所需的兼容性通道，并共同设计模拟模型，以进一步改进设计，提高在高速接口使用Retimer的成功率。

（本文作者为Analogix资深营销经理）
        本文来源：新通讯 2018 年 6 月号 208 期《 技术前瞻 》，如有侵权请联系邮箱：[e-mail]