為了實現USB、DisplayPort等規格所承諾的性能，採用主動式傳輸線是值得考慮的解決方法，可透過訊號中繼器(Redriver)和重計時器(Retimer)達成極佳性能。
USB、USB Type-C和DisplayPort(DP)傳輸線已經十分普遍，甚至在廉價超商就能買到。儘管兩種傳輸線可能有著看起來相同的外觀，所提供的效能和品質卻可能具有極大差異。低成本有可能代表產品品質較差，廉價的傳輸線除了導致電子設備發生故障或資料毀損，通常還會導致畫質變差，或是資料傳輸速率遠低於最新USB 4規格所提供的數個Gigabit頻寬。
低成本傳輸線通常為被動式，不使用外部電源來傳輸資料。透過使用不同的金屬材質、更厚的遮蔽和更好的接頭製造被動式傳輸線。這些方法可以提高傳輸線的品質，但也將提高成本，並導致傳輸線變得更粗、更重。改善傳輸線效能的另一種方法是透過嵌入式IC元件，讓傳輸線成為主動式(為傳輸線供電)，IC元件可在訊號沿著傳輸線傳輸時增強訊號。主動式傳輸線具備多個優點，效能甚至比高品質的被動式傳輸線更好，且能做得更細更長。傳輸線越細，越有彈性，且方便管理，占用的空間更少，可避免阻礙電子設備後方的冷卻空氣流動。本文將比較被動式傳輸線和主動式傳輸線的效能，並說明輕鬆設計主動式傳輸線的方法。
傳輸線規格解析
USB開發者論壇(USB-IF)是專門發布USB和USB Type-C傳輸線類型速度與線材類型規格的組織。雖然該論壇並未規範最新一代USB的最長傳輸線長度，但表1所列出的長度是目前廣泛使用的USB、USB Type-C和DisplayPort標準普遍接受的標準值。隨著資料速率提高，最大傳輸線長度將減少，如果兩台設備之間的距離大於可用於連接設備的傳輸線長度，便可能發生問題。儘管傳輸線可以串接(最長至傳輸線標準支援的長度)，卻可能導致訊號衰減，因此需要使用供電的集線器來進行連接，但這也可能無法做到。因此，使用整段長度仍符合規格的較長傳輸線最為理想。
表1 USB、USB Type-C和DisplayPort相關資料
針對USB 2.0、USB 3.2 Gen 1、USB 3.2 Gen 2、USB Type-C和DisplayPort 1.4，其規格也定義了阻抗、偏斜、串擾、衰減、差分阻抗、位元錯誤率(BER)、抖動、插入損耗等類比和數位參數。每項參數都會影響傳輸線在接收端提供有用訊號的能力，而傳輸線參數對此能力具有顯著影響。
被動式傳輸線問題
長、細、低成本的傳輸線隨處可得，雖然它們看起來可以正常使用，但傳輸線的效能將大幅影響所承載訊號的品質。圖1顯示以5Gbps速度運作的USB 3.2 Gen 1傳輸線的實驗室測試設定。訊號產生器建立並測量Rosenberger傳輸線眼圖測試設定，使用PRBS 2E10-1模式，速率5Gbps(時鐘頻率2.5GHz)。測試中使用三公尺長(USB 3.2 Gen 1允許的最大長度)的被動式傳輸線，差分阻抗為96-104Ω，2.5GHz時插入損耗為-10dB。
圖1 使用三公尺長傳輸線的2.5GHz測試設定
圖2顯示此測試產生的眼圖。首先，可以明顯看到眼區幾乎沒有打開，表示傳輸線在實際應用中的效能較差。其次，顏色顯示眼圖在較低BER(單位時間錯誤較少)的情況下張開度較小。這些結果顯示，USB 3.2 Gen 1傳輸線在3Gbps速率下的效能不佳；此傳輸線具有非常高的BER，可能不符合公認的規格。
圖2 三公尺長的被動式USB 3.2 Gen 1傳輸線的眼圖，顯示出高BER
打造主動式傳輸線
克服USB、USB Type-C和DP傳輸線訊號完整性挑戰的解決方案，就是在傳輸線的發送端或接收端加入訊號中繼器(Redriver)或重計時器(Retimer)。
Redriver是一種類比放大器，可調節高頻和差分訊號，達到擴大眼圖張開度的效果。有些Redriver IC更具有線路阻抗匹配功能，支援可程式增益，並有助於補償線路損耗、阻抗不匹配和其他通道效應。例如，Diodes的PI3EQX7741AI即為適合USB 3.2 Gen 1產品應用的Redriver。如圖3所示，此雙通道5.0Gbps產品支援對兩個100Ω差分CML資料I/O進行可程式均衡、去加重(De-emphasis)和輸出擺幅控制。
圖3 PI3EQX7741AI Redriver
Retimer內含時鐘和資料恢復(CDR)電路，並透過偵測資料流位元交換，自動將內部時脈鎖定至傳入的資料。CDR電路透過去除PLL頻寬中的抖動頻率來降低輸出抖動。因此，如PI2DPT1021(圖4)和PI2DPT821等Retimer能在USB Type-C、USB 3.2 Gen 2、DP 1.4 Alt模式和純DP 1.4產品應用中發揮良好的抖動效能。
圖4 PI2DPT1021 Retimer
Diodes的Retimer也具備接收器自適應均衡功能，可滿足長走線和短走線產品應用的需求。該功能可為速度5GHz的訊號傳輸提供-23dB的通道損耗補償及抖動清除，無需本地參考時鐘。PI2DPT1021整合了高速雙向通道，並且由於兩端接頭相同，可根據需要用作下行連接埠(DFP)或上行連接埠(UFP)，因此可用於主動式傳輸線應用。
PI3EQX7741AI Redriver可用於USB 3.2 Gen 1傳輸線的發送端或接收端。圖5顯示前文所使用之同一條三公尺傳輸線的兩個測試情境。左圖中，Redriver置於接收端(傳輸線之後)；右圖中，Redriver置於發送端(傳輸線之前)。
圖5 USB 3.2 Gen 1 ReDriver置於主動式USB 3.2 Gen 1傳輸線的接收端(左)和發送端(右)
測試結果如圖6所示。在各種情況下，Redriver皆明顯擴大了眼圖張開度。
圖6 主動式傳輸線的測試眼圖(USB 3.0主動式傳輸線配置；2.5GHz、三公尺)
主動式傳輸線的優點
主動式傳輸線採用Redriver或Retimer IC，與被動式傳輸線相比具有許多優點。主動式傳輸線可在更長的距離上達到更高的標準，且通常超過建議的規格。之所以能做到這點，是因為Redriver和Retimer可補償訊號衰減、抖動、時脈偏斜、串擾和電磁干擾。因此，主動式傳輸線可使用更薄且成本更低的材料來構成，可以縮小尺寸。此外，這些更細的傳輸線更容易安裝在狹小的空間中，讓電子設備周圍有更好的空氣流動，使系統在更低的溫度下更有效地運作。
(本文作者任職於Diodes)