USB是當今最成功的PC接口，安裝數量超過(guò)60億，在PC和接口設備上的普及率接近100%。雖然高速USB的480Mbps數據傳輸速度可滿(mǎn)足許多消費者現有的需求，但是與日俱增需求(如高清視頻和更快速的數碼影音文件的下載)推動(dòng)了SuperSpeed USB(3.0)的發(fā)展。

一般接口的新一代規格，其數據傳輸速度通常要增加兩倍，而USB3.0的帶寬卻增加了十倍。此外，USB3.0規格不再使用簡(jiǎn)單的主從式、封包廣播式的數據傳輸架構，而是使用更加復雜的雙向封包交換架構。

USB3.0系統設計師面臨的最主要挑戰是解決5Gbps信號傳輸速度所帶來(lái)的問(wèn)題，設計師必須解決包括系統對信號衰減和抖動(dòng)增加的敏感度等問(wèn)題。此外，USB3.0對USB2.0接口的向下兼容性讓問(wèn)題更復雜，因為USB2.0原本是為較低傳輸速率而設計。

產(chǎn)品設計師碰到最大的問(wèn)題也許是達到消費者延續對上一代USB產(chǎn)品的低價(jià)期待。USB3.0使用了雙倍數據率技術(shù)，將傳輸速率增加到最高5Gbps，因而需要高速信號完整性的解決方案。在最長(cháng)可到3米的線(xiàn)纜、多個(gè)接口和PCB板上的長(cháng)途線(xiàn)路上傳送高速信號，產(chǎn)品設計師必須謹慎處理信號衰減和抖動(dòng)問(wèn)題。

圖1：顯示了發(fā)送器端的開(kāi)眼圖和接收器端的閉合眼圖。

信號裕度預算

與低速信號相比，高速度信號的質(zhì)量損失更加多，由PCB線(xiàn)路、連接器和線(xiàn)纜所造成的信號損耗累計起來(lái)將快速損害信號質(zhì)量。根據信號裕度的要求，USB3.0容許的通道損耗(由發(fā)送器眼圖到接收器的眼圖)在2.5GHz下為6~9dB。此外，SuperSpeed一般有-3.5dB的去加重，這樣全部的信號損耗預算為9.5~12.5dB。

為滿(mǎn)足兼容性要求，USB3.0信號必須可以通過(guò)3米長(cháng)的線(xiàn)纜，并保持信號眼圖開(kāi)口有足夠的寬度。但這只是部分的路徑，因為在兼容性測試中測量的是接收器經(jīng)過(guò)均衡化處理過(guò)后的信號。舉例來(lái)說(shuō)，在一般的筆記本電腦架構中，USB控制芯片到連接器的距離大約是10英寸，因此信號實(shí)際上可能另外經(jīng)過(guò)大約半米的路徑和數個(gè)連接器。

在一般的筆記本電腦至外圍設備的應用中，信號會(huì )經(jīng)過(guò)長(cháng)于12英寸的PCB線(xiàn)路(10英寸線(xiàn)路在筆記本電腦中，2英寸在接口設備中)，這將導致3.552dB的線(xiàn)路損耗(12英寸x0.296dB/英寸，使用9/10/9 FR4走線(xiàn)，2.5GHz信號速度，不包括任何PCB導通孔)。加上每一個(gè)連接器產(chǎn)生的-1dB損耗，通過(guò)兩個(gè)連接器產(chǎn)生的損耗一共是2dB，因此留給線(xiàn)纜的信號損耗預算只剩下5.948~8.948dB。有遮蔽差分信號對線(xiàn)纜、2.50GHz速度的信號衰減大約是在34AWG的4.4dB/m到26AWG的1.9dB/m范圍內。表1列出了根據這些數字計算出的能符合USB3.0規范的SDP線(xiàn)纜的最大長(cháng)度。表1中第三列到最后一列顯示，如果不使用信號調節產(chǎn)品，即便高質(zhì)量的28AWG線(xiàn)纜，也無(wú)法達到USB3.0規范要求的3米長(cháng)度。

產(chǎn)品制造商可以選擇使用高質(zhì)量的26AWG SDP線(xiàn)纜來(lái)通過(guò)認證測試，但是這種線(xiàn)纜非常貴，如果隨產(chǎn)品出貨，線(xiàn)纜的成本會(huì )大幅增加產(chǎn)品的成本。此外，即使隨產(chǎn)品出貨這種線(xiàn)纜，也無(wú)法保證使用者不會(huì )混用到其它低質(zhì)量的線(xiàn)纜。雖然在產(chǎn)品上可以強調必須使用適當的線(xiàn)纜，但USB產(chǎn)品的使用者已經(jīng)習慣了在連接產(chǎn)品時(shí)不需擔心線(xiàn)纜的質(zhì)量。這里的關(guān)鍵問(wèn)題，是當由于使用低質(zhì)量的線(xiàn)纜連接產(chǎn)品而造成產(chǎn)品效能低的時(shí)候，使用者會(huì )直覺(jué)地認為是產(chǎn)品的問(wèn)題而不是線(xiàn)纜的問(wèn)題。這可能會(huì )造成較高的產(chǎn)品退貨率，并且大幅減少采用USB3.0規格產(chǎn)品的早期利潤。另一個(gè)影響新科技采用率的重要因素是使用的困難度，如果使用者感覺(jué)USB3.0技術(shù)很難使用，將嚴重影響市場(chǎng)的成長(cháng)。

圖2：與圖1相同，但在每個(gè)連接器端都有轉接驅動(dòng)器�？s短(drop)“信號通道”。顯示了發(fā)送器端的開(kāi)眼圖和接收器端的閉合眼圖。

使用信號調節技術(shù)恢復信號質(zhì)量

當信號質(zhì)量由于抖動(dòng)(抖動(dòng))和衰減而下降時(shí)，可以采用信號調節器件恢復信號質(zhì)量。信號調節器件也被稱(chēng)做轉接驅動(dòng)器(redriver)，因為信號在被傳送之前重新被驅動(dòng)(redriven)。轉接驅動(dòng)器可以放在發(fā)送器和接收器之間，可以恢復、調節、再發(fā)送接收到的信號。

如果放在接收器之前，轉接驅動(dòng)器可以有效打開(kāi)信號眼圖的開(kāi)口，從而將信號質(zhì)量恢復到可以接收的范圍內。轉接驅動(dòng)器可以調節信號、使用信號均衡的功能減少信號衰減和抖動(dòng)，因此可以在更長(cháng)的距離和通過(guò)多個(gè)連接器的情況下提供干凈的信號傳送通道。信號可以恢復原有的強度再次傳送，就像是將信號通道拆成數個(gè)段落，并且在每個(gè)段落恢復信號的質(zhì)量。轉接驅動(dòng)器也允許產(chǎn)品設計師依照特定的應用類(lèi)型調整最佳的信號均衡效果，因此可以確保設備可以通過(guò)最嚴格的USB3.0認證要求。

信號調節功能可以增加信號裕度，讓產(chǎn)品設計工程師有更多的空間來(lái)擴展信號傳送距離，或更靈活地設計信號在PCB上傳送的路徑，特別是在可能要求使用較少層的PCB以達到更好的信號與接地隔離，或是有更大的機會(huì )一次設計就能通過(guò)驗證情況下。經(jīng)過(guò)改善的信號質(zhì)量不但可以給設計工程師帶來(lái)信號鏈上更多的靈活度和選擇，也可以因較低的比特誤碼率而增加產(chǎn)品穩定性，減少傳送錯誤，從而增加實(shí)際有效的信息吞吐量且讓系統工作更有效。

在設備需要經(jīng)常被連接和移除的消費應用中，自適應信號均衡功能有最好的效果，因為使用不同長(cháng)度的線(xiàn)纜加上可以插拔的周邊設備內部的信號布線(xiàn)，使整體的信號通路可隨時(shí)改變。例如，針對3米線(xiàn)纜優(yōu)化的信號均衡參數，應用在沒(méi)有線(xiàn)纜的USB移動(dòng)存儲上時(shí)會(huì )損害信號的完整性。轉接驅動(dòng)器通過(guò)持續的再適應(retraining)可以確保針對真正的信號路徑進(jìn)行最佳化的調節。

相反，如果信號的路徑靜止不變，轉接驅動(dòng)器就不需要使用再適應功能。在這種環(huán)境中，例如從來(lái)不需要移除任何線(xiàn)纜的服務(wù)器中，再適應功能有可能造成負面影響。在一個(gè)類(lèi)似這種穩定的應用中，可配置的信號均衡功能是最好的選擇。

表1：滿(mǎn)足USB3.0規范的最大線(xiàn)纜長(cháng)度。

高信號質(zhì)量推動(dòng)成本的降低

轉接驅動(dòng)器在接收器增加6dB的信號均衡度，可以大幅增加信號在SDP線(xiàn)纜的傳送距離，因此可以幫助解決線(xiàn)纜方面的困擾。如果在發(fā)送器也放置轉接驅動(dòng)器，總共可以增加12dB的信號均衡度，可以確保信號在超過(guò)3米的34AWG線(xiàn)纜中傳送，并通過(guò)認證測試(表1)。

增加信號均衡度可以讓信號在較長(cháng)且便宜的線(xiàn)纜中傳送，可以讓消費者使用低價(jià)、有彈性、美觀(guān)和較細的線(xiàn)纜，而無(wú)需為減少信號損耗而購買(mǎi)較粗且昂貴的高質(zhì)量線(xiàn)纜。因此，如果考慮線(xiàn)纜的成本，使用轉接驅動(dòng)器不但可確保產(chǎn)品按照預期工作，還可以降低產(chǎn)品的整體成本。雖然使用轉接驅動(dòng)器會(huì )增加一個(gè)板上元件，但轉接驅動(dòng)器只占極小的PCB面積(4平方毫米)，這在便攜式設備中非常重要。

靜電釋放(ESD)是使用轉接驅動(dòng)器的另一個(gè)考慮。為降低系統的成本，USB接口很有可能被集成到主要的芯片組中，這樣不但USB接口控制器件對ESD沒(méi)有防備，而且整個(gè)芯片組都有可能被損壞，造成整個(gè)系統無(wú)法使用。因為轉接驅動(dòng)器芯片位于連接器與發(fā)送器/接收器之間，所以可以隔絕內置USB接口的芯片組。如果有ESD事件發(fā)生，轉接驅動(dòng)器可以保護系統的控制芯片，在最壞的情況下只損失單個(gè)USB接口，讓系統的其他功能正常工作。

轉接驅動(dòng)器必須有認知通訊協(xié)議的能力才能高效率地發(fā)揮信號平衡功能。由于轉接驅動(dòng)器沒(méi)有設備身份識別ID，所以無(wú)法像USB終端設備一樣中止信息傳遞。如果轉接驅動(dòng)器可以辨識通訊協(xié)議，便可支持接收器偵測和電氣閑置等功能，而不僅是回復和傳送信號。理想情況下，轉接驅動(dòng)器將支持USB3.0規范定義的連續時(shí)間線(xiàn)性均衡技術(shù)，該技術(shù)與發(fā)送器期望遠端終端設備用來(lái)均衡信號的技術(shù)是相同的。最后，轉接驅動(dòng)器必須在不被察覺(jué)的情況下工作，否則轉接驅動(dòng)器之后的根設備(root device)將不會(huì )被辨認，即使這種情況在實(shí)驗室中可以工作，但在實(shí)際應用中則不行。

雙向信號調節

實(shí)現消費應用是使用者期待USB3.0的價(jià)格于USB2.0一樣。USB2.0的一個(gè)重要設計考慮是能以很便宜的價(jià)格進(jìn)行生產(chǎn)，因此許多制造廠(chǎng)商會(huì )錯誤地認為可以用同樣的方式生產(chǎn)USB3.0設備。此外，必須降低成本的壓力將使制造商考慮使用低質(zhì)量線(xiàn)纜，或是讓接收器解決信號調節問(wèn)題等快捷方式。因為市場(chǎng)對低價(jià)的集線(xiàn)器和周邊設備的期待，將有制造商生產(chǎn)這些產(chǎn)品，并且使用高質(zhì)量的線(xiàn)纜達到通過(guò)認證測試所需要的結果。但是，一般的使用者卻希望使用任何的USB線(xiàn)纜，系統都能穩定工作。

在這種情況下，有責任心的制造廠(chǎng)商不得不面對市場(chǎng)上充斥著(zhù)次級產(chǎn)品的問(wèn)題：這些產(chǎn)品有價(jià)格上的優(yōu)勢，但是當連接到只有接收器有信號調節功能的設備時(shí)，可能不能穩定地工作。也就是說(shuō)，這些設備可以穩定地接收信號，但是當向這些次級產(chǎn)品傳送信號時(shí)卻出現性能明顯降低甚至出錯。舉例來(lái)說(shuō)，一個(gè)外接硬盤(pán)因為不良的信號質(zhì)量，不斷發(fā)出接收器錯誤的信息，使用者會(huì )認為這是硬盤(pán)的問(wèn)題，而不是用在其它產(chǎn)品時(shí)看起來(lái)沒(méi)有問(wèn)題的低質(zhì)量線(xiàn)纜或是集線(xiàn)器設備的問(wèn)題，這將導致退貨增加，損失贏(yíng)利。

在每一個(gè)外接的連接器上都裝一個(gè)接收用的轉接驅動(dòng)器，可以確保信號在進(jìn)入和離開(kāi)時(shí)都可以得到正確恢復。此外，如果也對傳送出去的信號做調節處理，就算其它設備沒(méi)有在接收器做信號調節，產(chǎn)品設計工程師也可以確保設備通過(guò)任何長(cháng)度的線(xiàn)纜，并與其它設備互通。

市面上的轉接驅動(dòng)器產(chǎn)品分單通道和雙通道兩種。雙通道轉接驅動(dòng)器在接收和傳送信號通道都具有信號調節的功能，因此可以確保與沒(méi)有接收信號調節功能的低質(zhì)量設備的連接。單通道轉接驅動(dòng)器具有可以分開(kāi)調節接收和傳送信號路徑的靈活性。

另一個(gè)使用轉接驅動(dòng)器產(chǎn)品時(shí)的特點(diǎn)是電源電壓的靈活性。例如，服務(wù)器通常使用1.2V電壓，而PC使用3.3V電壓，一個(gè)可以選擇前面任一個(gè)電壓的轉接驅動(dòng)器產(chǎn)品可以滿(mǎn)足兩個(gè)市場(chǎng)，因此可以用更大的整體出貨量來(lái)壓低價(jià)格。，此外，其內置的LDO功能則可以節省一個(gè)外接的LDO元件。

有關(guān)時(shí)鐘和信號交換的問(wèn)題

USB控制器芯片、器件、終端設備、集線(xiàn)器和內置USB接口的處理器都需要一個(gè)準確可靠的時(shí)鐘源。時(shí)鐘信號在保持良好的SuperSpeed USB信號質(zhì)量方面扮演著(zhù)非常重要的角色，因為當時(shí)鐘速度增加時(shí)，可用的抖動(dòng)預算就減少了。

把時(shí)鐘技術(shù)看成一種陳舊的技術(shù)是一個(gè)常見(jiàn)誤解。事實(shí)上，時(shí)鐘技術(shù)(尤其是在高速度時(shí))是極精密的技術(shù)。由于高速度時(shí)鐘比較昂貴，比較節省成本的方法是把較低速度的時(shí)鐘信號以數倍增加。但是，把低速度的時(shí)鐘信號數倍增加到高速度時(shí)，所產(chǎn)生的抖動(dòng)也會(huì )以同樣倍數放大，從而占用了有限的信號裕度。產(chǎn)品設計師的挑戰是平衡輸入速度(等同價(jià)錢(qián))和產(chǎn)生的抖動(dòng)，因此時(shí)鐘緩沖器只能容許非常低的抖動(dòng)，這樣當時(shí)鐘信號倍增時(shí)，不會(huì )產(chǎn)生過(guò)大的抖動(dòng)。

同樣，USB交換器必須提供平滑轉換。比如，交換器可以減少擴展塢等實(shí)際應用中使用的信號接口，降低成本。通過(guò)保持低電阻和低阻抗，交換器可以保持低的輸入信號損耗，不讓信號的瑕疵反饋到發(fā)送器，從而保持信號完整性。

使用USB管理智能以節省耗電

許多消費型USB3.0終端設備使用電池，因此USB3.0具有幾個(gè)新的省電模式，包括閑置(idle)、睡眠和暫停(suspend)模式。產(chǎn)品設計師可以利用這些新功能，關(guān)閉轉接驅動(dòng)器信號電路以延長(cháng)產(chǎn)品工作時(shí)間。

USB接口是雙通道，傳送和接收通道可以單獨開(kāi)關(guān)。發(fā)送器的轉接驅動(dòng)器的電源管理比較簡(jiǎn)單，當沒(méi)有信號傳送時(shí)可以直接進(jìn)入睡眠模式。USB有熱插拔的能力，管理接收器較為復雜，因為隨時(shí)都有可能接收信號，轉接驅動(dòng)器必須具有支持復雜前端信號偵測能力的機制，才能保持器件的透明性。

當有連接到其它設備時(shí)，轉接驅動(dòng)器可以更頻繁地利用電氣閑置閾值電壓(electrical idle threshold)來(lái)檢查是否有信號傳輸。當信號在閾值電壓下，表示沒(méi)有信號輸入，可以進(jìn)入深層睡眠模式。這個(gè)閾值電壓一般是100mV，但如果想要增加通過(guò)長(cháng)距離線(xiàn)纜傳送的低電壓信號的敏感度，可以將它調節到更低的60mV。例如，數碼電視的USB接口可能連接其它非常遠的電子裝置，因此需要較高的敏感度來(lái)偵測信號。服務(wù)器應用中的USB3.0接口，因為使用較長(cháng)的PCB布線(xiàn)，比較低的閾值電壓也是較好的選擇。

USB3.0

熟悉PCI Express Gen 2的產(chǎn)品設計師，可能會(huì )比熟悉USB2.0更容易上手USB3.0設計，因為USB3.0和PCI Express Gen 2使用相似的鏈接初始化、封包結構和錯誤修復方式。此外，這兩種通訊協(xié)議使用完全相同的發(fā)送和接收模塊和單元，包括加擾碼、8b/10b編碼、串行器/解串器等。

USB3.0和PCI Express Gen 2的相似之處會(huì )大大減少PCI Express Gen 2的應用，特別是因為USB3.0的信號傳輸量和不需要再次轉譯通訊協(xié)議到USB的特性。舉例來(lái)說(shuō)，USB3.0已經(jīng)設計在擴充塢里，因為USB3.0不像PCI Express Gen 2信號需要再次轉換(需要使用HBA 或是PCI-USB控制器)。使用USB3.0擴充塢就將有集線(xiàn)器扇出信號的功能，因此可簡(jiǎn)化整體架構并且減少成本。

USB是當今最普遍的消費電子產(chǎn)品通訊協(xié)議，與PCI Express相比占有強大的優(yōu)勢。因為USB3.0連接器和控制器必須向下支持USB2.0設備，從PCI Express Gen 2平臺轉向USB3.0的供應商可以立即進(jìn)入這個(gè)龐大的市場(chǎng)。向下支持USB2.0協(xié)儀的確增加了設計USB3.0產(chǎn)品的難度，但由于USB2.0和USB3.0共享連接器，所以大多數難題都在芯片設計當中。

PCI Express Gen 2仍然在明確的芯片外接口占有一席之地，包括處理器的內部總線(xiàn)接口和其它的服務(wù)器、儲存、嵌入式應用等。當然，這現存的優(yōu)勢的前提是PCI Express Gen 2仍是主要的內置接口。

預計USB3.0將和其它新的和舊的接口規格競爭，如HDMI、DisplayPort、PCI Express、DVI等連接監視器的接口。USB3.0有高的通道寬度和低的價(jià)格，當集成至芯片組之后，沒(méi)有理由不會(huì )用來(lái)連接監視器。USB3.0不會(huì )完全取代HDMI和DisplayPort通訊協(xié)議，因為它們各自都有增加自己的應用范圍。比如，HDMI因為具有反向通道能力而在監控攝像機市場(chǎng)具有影響力。但能預期的是，USB3.0將蠶食那些正在使用至少一個(gè)USB接口的其它通訊協(xié)議應用的市場(chǎng)占有率。

USB3.0在很多方面會(huì )改變電子市場(chǎng)的現狀，但為要達到高性能和穩定性，必須使用信號調節產(chǎn)品來(lái)補償PCB、連接器、以及最重要的線(xiàn)纜信號損耗。消費應用無(wú)法接受用來(lái)保持信號完整性的高價(jià)的高速度元件，但也不能忍受信號完整性問(wèn)題帶來(lái)的應用性能和可靠性下降。如果在發(fā)送器和接收器端使用轉接驅動(dòng)器恢復信號質(zhì)量，工程師可以保持良好的信號裕度，以便用更長(cháng)的線(xiàn)纜，或使PCB布線(xiàn)有更高的靈活性。他們也將確保產(chǎn)品的設計不僅可以通過(guò)嚴格的USB3.0認證測試，也可以使用低質(zhì)量的線(xiàn)纜并與其它USB3.0設備具有很好的互操作性。