9.2 什么是USB转接驱动器

大家好，欢迎观看 TI高精度实验室视频。 USB 是电子产品领域中最常用的 接口之一，可用于很多日常设备， 例如耳机、手机以及 汽车和飞机上的复杂系统。 当我们连接到 USB设备时， 通常都不会考虑背后的原理。 在本次课程中，我们将讨论 USB 转接驱动器在设备连接中所起的重要作用。 在后续课程中，我们将讨论不同类型的 转接驱动器。 在 1996 年 USB 端口概念形成时，USB 端口的 数据速率是 1.5 兆位/秒。 该接口主要用于将键盘和鼠标 连接到电脑。 如今，USB 接口数据速率已 提高至惊人的40 千兆位/秒。 在如此高的数据速率下， 通过电缆、PCB 布线和柔性 PCB 等当今 设备中常用的传输介质很难 保持足够的信号完整性。 USB 转接驱动器用于帮助保持 信号完整性，这对实现最大数据吞吐量和 电气合规性非常重要。 包括 PCB 布线损耗、ISI、串扰、反射、 噪声和抖动在内的系统损失可能会 降低数据速率吞吐量并导致合规性故障。 USB 转接驱动器主要用于通过 使用接收器或发送器均衡 来补偿系统 ISI。 码间串扰或ISI 是指 前一个码元干扰后一个码元时产生的 信号失真。 有关 ISI 和其他损失的更多信息， 请观看《什么是信号调节器》视频。 USB 通道较长的系统或设备 在较高数据速率下更可能具有较差的 信号完整性，并且也更有可能最终 传输损坏的数据。 在 USB 链路中，这可能意味着以低于预期的 数据速率运行。 USB 通道包含主板或设备的 PCB 布线，其中 USB设备直接连接或 通过 USB 电缆进行连接， 对于 USB 3.2第 1 代而言， 该电缆可长达 3 米。 具有高度衰减信号的长 USB 通道 必须具有与短USB 通道一样 好的性能，那么USB 连接器的 放置位置就成为了一个系统设计难题。 USB 转接驱动器使用均衡功能 从完全关闭的眼图恢复信号， 并在对系统保持透明的情况下重新传输该恢复的信号。 在恢复不良信号功能的帮助下， USB 转接驱动器可以有效地延长 系统上通道的长度，同时保持 最高可用数据速率， 从而确保USB 连接器可以灵活放置。 较高数据速率下的信号 高频分量更容易失真。 这可能会导致位错误。 在发送器处加重高频成分 有助于在接收器处产生信号，该信号 与原始发送信号更加相似。 USB 转接驱动器可以通过预加重 或去加重这两种方法应用发送器均衡， 以补偿预计的通道损耗。 预加重用于增加对噪声 更敏感的高频信号分量。 这可以通过提高第一个传输位的 电平来实现。 去加重用于通过降低除第一个 传输位以外的所有位的电平 来增加高频成分。 正如您在左侧波形中看到的那样， 在没有加重的情况下，所有位组合的信号 电平均保持不变。 右侧的波形显示了 对信号添加去加重的结果。 您可以看到，第一个传输位保持在 标称摆幅电平，后续的位具有 较低的信号振幅。 USB 主机、集线器和设备都需要通过 USB 合规性测试才能获得认证。 如果未经认证，则系统、集线器 或设备无法显示表明其符合 USB 规范的 USB 徽标，并且不能作为 USB 产品出售或营销。 USB 电气合规性测试包括 发送器和接收器测试。 发送器测试使用由预定义的 PCB 布线 和电缆组成的通道模型来验证发送器 是否满足眼宽、眼高和抖动要求。 这些测量是在连接器的通道 末端进行的。 左侧的眼图显示了通过 USB 2.0 的高速 眼图。 中间的眼图显示了通过 USB 3.2 第 1 代的 5 千兆位/秒眼图。 右侧的眼图显示了通过 USB 3.2 第 2 代的 10 千兆位/秒眼图。 随着数据速率提高至 10 千兆位/秒 甚至更高，通过发送器眼图 测试的要求也变得更加严格。 USB 通道的信号完整性较差的 系统或设备很可能无法通过该电气 合规性测试。 例如，在介质、PCB布线或电缆上发生 信号损耗。 损耗量随长度和频率的增加而增加。 USB 转接驱动器接收器使用 连续时间线性均衡或 CTLE 来 补偿通道插入损耗和转接 驱动器中的通道码间串扰。 CTLE 是应用于接收器的 线性滤波器，可放大奈奎斯特频率附近的 分量并滤除更高频率分量。 对于位速率为10 千兆位/秒的 USB 3.2 第 2 代信号，位时间 为 100 皮秒。 该数据速率的奈奎斯特频率为 5 千兆赫兹。 接收器中的CTLE 增益值 设置为等于传入信道损耗， 以抵消奈奎斯特频率下信号的 任何衰减。 该 CTLE 值是可编程的， 以便提供一系列值， 匹配不同系统的损耗。 正如您在该 USB 3.2第 2 代示例中 看到的，5 千兆赫兹的奈奎斯特频率下的 通道损耗大约为负 7db。 为转接驱动器选择的CTLE 增益设置约为 7db， 以抵消通道损耗。 USB 实施者论坛 USB-IF 是创建了通用串行 总线并创建USB 规范的组织。 USB 规范定义了 将在合规性测试中使用的参考 CTLE。 该参考 CTLE 在用于发送器 测试的软件中使用，用于为 设计中的均衡器 参数建立建议的范围。 此处显示了参考 CTLE 公式。 为 USB 3.2 第 1 代定义了一个公式，为第 2 代定义了 另一个类似的公式。 尽管规范定义了参考 CTLE，但它 并未强制要求使用该均衡器， 以实现设计灵活性。 您可能还记得，我们讨论了 USB 主机、集线器和设备的符合性 测试，其中不仅包括发送器测试， 还包括接收器测试。 此处显示的是USB 3.2 第 2 代 接收器抖动容差测试结果示例。 在本例中，在不同的抖动 频率和振幅下测试了九个点。 在每个测试点处，由 BERT 或误码率 测试仪生成并传输具有经过校准的抖动 和通道损耗的应力信号， 并由 DUT 或被测设备接收， 被测设备可能是主机、集线器或设备。 然后将其环回并发送到 BERT 的接收器。 接收到的任何损坏数据位 都计为错误，并计算误码率。 对于所有测试点，DUT 必须满足 定义的 BER，才能成功通过该合规性测试。 与发送器测试一样，信号完整性 较差的 USB 通道更有可能无法 通过接收器抖动容差测试， 因为接收正确位的可能性很高。 USB 转接驱动器有助于恢复由 BERT 发送到系统中的应力信号的分量， 并将更干净的数据重新传输到主机、 集线器或设备接收器。 为了回顾我们讨论的内容，我们来做一个小测验。 第 1 题，判断对错，USB 1.0 数据速率是 1.5 兆位/秒。 对。 USB 1.0 数据速率是 1.5 兆位/秒。 第 2 题，判断对错。 USB 转接驱动器有助于系统通过合规性测试。 对。 USB 转接驱动器通常用于帮助系统通过合规性 测试。 第 3 题，判断对错。 USB 转接驱动器不用于补偿系统 ISI。 错。 USB 转接驱动器用于补偿码间 串扰或 ISI。 第 4 题，判断对错。 只能在 PC 主板上找到 USB 转接驱动器。 错。 USB 转接驱动器可在配备 USB 的 任何地方使用。