广元兄
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这份大约5000字的HDMI知识指南,请查看!
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USB3.0知识指南

大家好,我是广元兄。很高兴和大家分享信号完整性的相关知识。希望大家点赞,分享。有什么问题加微交流学习,微信号【SI_Basic】。

Slogan:一起学习,共同进步!

这是一份2008年的文档,继2000年USB2.0的规范文档,8年之后,出了USB3.0。

文档部分,协议层,链路层,物理层部分和USB2.0的基础知识大体相同。

物理层用于每条差分链路都是通过使能接收器终端阻抗进行初始化的。发送器负责检测远端接收器终端阻抗(还记得USB2.0识别全速和低速的1.5KΩ电阻吗),作为总线连接的指示,并通知链路层,从而连接状态可以被纳入链路操作和管理。

物理层从链路层接收8位数据,并将数据加扰以降低EMI的放射。接着将加扰过的8位数据编码成10位,用于通过物理链路传输。数据被接收器从差分链路恢复,解码并解扰,又生成8位数据,然后被送给链路层进行进一步处理。

链路层除了处理物理层的信息,还向协议层提供了一个恰当的接口,用于协议层包信息交换

编码方式

上面提到的8位和10位,这就是USB3.0和2.0的编码方式不同之处。

USB2.0编码方式为NRZI 非归零反相编码:

USB3.0编码方式8b/10b:

将一组连续的8位数据分解成两组数据,一组3位,一组5位,经过编码后分别成为一组4位的代码和一组6位的代码,从而组成一组10位的数据发送出去。相反,解码是将1组10位的输入数据经过变换得到8位数据位。数据值可以统一的表示为DX.Y或KX.Y,其中D表示为数据代码,K表示为特殊的命令代码,X表示输入的原始数据的低5位EDCBA,Y 表示输入的原始数据的高3位HGF。

原本8位的字节用10位来表示,会使8b/10b编码的带宽利用率并不高。但许多高速串行总线采用这样的编码机制,如Serial ATA、PCI Express等。当然,后面为了提高效率和速度,USB3.2采用了128b/132b编码机制

文档的附录部分,给出8b/10b数字类型编码的相关信息:

至于USB3.0如何兼容USB2.0的不同编码方式和USB3.0为何不用NRZI,这些不做展开。

线缆部分

USB3.0线缆的横截面和USB2.0最大区别,除了1组线:UTP(Unshielded twist pair)信号对,多了两组SDP(Shielded Differential Pair)屏蔽差分信号对。

  • SDP信号的差分特性阻抗:90+/-7Ω,不是+/-10%
  • 匹配连接器的差分阻抗应该在 90 Ω +/-15Ω 之内
  • SDP信号对间偏移量(intra-pair skew)建议应小于 15 ps/m
  • SDP信号插损标准:

损耗标准和线规AWG有关,AWG前面的数值(如24AWG、26AWG)表示导线形成最后直径前所要经过的孔的数量,数值越大,导线经过孔的等级越高,导线的直径也就越小

线缆组件插入损耗的标准:

相互之间串扰的标准:

线缆还有一些性能标准:

插入力、拔出力、耐久性、剥落强度(垂直方向用至少150N的力)、扳扭强度、轴连续性测试等。

测试部分

测试点的选择,和USB2.0在发送端的连接器上有不同:

简单列一下发送端和接收端测试电性能指标:

实际测试所用的测试夹具:

信号经过产品的PCB和相关测试夹具之后,产生很大的衰减。USB3.0芯片接收端内部会提供EQ均衡技术CTLE(连续时间线性均衡)功能补偿高频损耗。

下图给出求出极点的传递函数和波形:

这里讲一下测试用到的测试码型LFPS

LFPS(Low frequency periodic signaling)低频周期信号,是USB3.0设备测试握手协商时的一种特殊脉冲,用于在链路上通信而不使用超高速信号(SuperSpeed signaling)。LFPS被用于指示初始化和电源管理信息。LFPS 相对容易生成和检测, 且使用很少电源。

LFPS被用于处于低功耗链路状态的链路的两个端口之间进行带通通信,它也被用在链路处于训练时,或者下游端口发送热重启重置链路时。

时钟部分

时钟恢复函数的恢复电路具有低通滤波特性。在恢复的时钟与数据相比较(相减)后,总体时钟恢复变成一个高通滤波特性

拐角频率和阻尼系数:

得出传递函数为2dB最大峰值。

之所以把时钟部分单独列出来,缘于PCIe串行链路同步时钟的12ns等指标要求,而USB异步时钟没有提这些指标,在这里总结一些串行链路时钟,等后面一起做个比较。

同样,这里列了多个传递函数公式,等后面串行信号系列总结完,再学习下胡寿松《自动控制原理》,一并深入理解一下这些公式。

IR Drop的电压跌落测试

USB3.0和USB2.0主机或集线器端口电压4.75~5.25 V

USB2.0给出设备最大负载电流为500mA,USB3.0给出的最大负载电流为900mA,而不是前文给出的经验值1A。

USB3.0终端设备最低电压值为3.67V 

之前说过,电压压降部分的难点在线缆部分,为了满足设计要求,线缆给出了相关要求:

链路评估

既然线缆的标准有了,板材的标准可以参考经验,相关的规范标准也有了,是不是就可以针对USB3.0或者USB4.0做版图设计的链路评估?后面系列文章再试着总结一下。

USB4规范文档给出的相关标准:

中继器(Repeater):用于恢复因通道损耗而衰减的输入信号的有源电路。

Repeater包含Re-driver和Re-driver。这两者有分别:

重新驱动器 Re-driver:

模拟中继器通过接收器和/或发射器均衡和增益调整在其自己的预定义损耗预算内恢复衰减的输入信号。由于Redriver没有涉及协议相关的内容,所以其两端的设备在协议层相当于直通的

重新定时器 Re-driver:

混合信号中继器,用于通过时钟数据恢复电路恢复衰减的输入信号。内部具有CDR功能,实现数据的恢后再按照串行通道把信号发送出去。更好地减轻信号的抖动,同时实现更好的物理损耗的效果,但是复杂的Retimer也会增加更多的延时

相关规范文档给出的技术指标

上述的一些指标(损耗和长度)是基于平台和一些理想情况得出的。信道不仅包括ISI(Inter-Symbol Interference),还包括NEXT(近端串扰)和FEXT(远端串扰)形式的串扰噪声。相关的基准是否符合规范需要测试验证。

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