新款個人電腦(PC)、桌上型電腦及筆記型電腦均採用超高速的通用序列匯流排(USB) 3.0解決增加頻寬的需求，以支援更即時的應用。USB 3.0除了擁有許多新功能外，傳輸速率也比USB 2.0快十倍，但相對地，如此的速率也帶來新的設計難題。許多個人電腦廠商針對長通道實作USB 3.0時，並未意識到所面臨的難題，其中的通道衰減會限制USB 3.0裝置與連接器相隔的距離。
本文將探討透過長通道驅動USB 3.0訊號的一些難題，並舉例說明如何使用簡單的訊號，及轉接驅動器作為調節裝置，以處理通道損耗的問題。
閉合眼狀難題浮現
USB 3.0的主要目標應用一直是以成本為首要考量的個人電腦主機板，其中一般包含四至六層印刷電路板(PCB)。除了效能提升外，更快速的USB 3.0本身的設計彈性與成本目標均與USB 2.0系統完全相同。
圖1顯示德州儀器(TI)實驗室針對頻率的各種差動跡線類型所測得的損耗程度。以20吋的微帶(Microstrip)為例，在USB 2.0速度下，訊號會發生大約-2分貝(dB)的插入損耗。不過，在USB 3.0速率下，相同距離的插入損耗則高達-6dB。對於帶狀跡線(Stripline Trace)，損耗問題更加嚴重。在實際的設計中，將USB 3.0裝置連接至連接器所用的跡線，為微帶及帶狀跡線的組合。
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| 圖1 各種差動跡線類型的損耗程度 |
圖2顯示一般的USB 3.0通道，訊號經過主機電路板時會損耗，經過裝置電路板時會再度損耗。
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| 圖2 個人電腦中的一般USB 3.0通道 |
跡線、纜線及連接器會在多個符號區間散布單位元脈衝，散布的脈衝會造成符際干擾(Inter-Symbol Interference, ISI)，使得一個符號干擾鄰近的符號，最終導致誤碼率(BER)。
CTLE無助於問題解決
限制通道長度，即可限制USB 3.0訊號在通道中出現的損耗及固定抖動。對於USB 3.0裝置，可靠近USB 3.0連接器放置的較小平台，如此的做法切實可行。另外，USB 3.0規格可使用等化接收器，達到系統時序及電壓邊限，對於長跡線及纜線尤其如此。
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| 圖3 通道中頻率的相關損耗 |
通道可作為具有傳輸功能的低通濾波器，不過會導致高頻損耗。訊號經過通道後，會呈現高頻訊號的衰減(圖3)。為了修正此損耗，須使用等化器，並且必須以高頻增益平衡訊號在通道中出現的損耗。因此，若是E(f)，等化器的傳輸功能將調整為等於1/H(f)，RX(f)將等於TX(f)，這是最理想的情況。
不過實際上，情況不可能如此，因為等化器會將高頻訊號放大，同時將雜訊放大，必須審慎權衡取捨，否則將無法發揮USB 3.0連結中等化器原有的優點。
在USB 3.0標準規格中加入接收器連續時間線性等化器(Continuous Time Linear Equalizer, CTLE)功能的需求，以便在用於接收的訊號時呈現開啟眼狀型態，而能夠在進行資料取樣時，不漏失任何資訊。不過，將USB 3.0連接器放置在桌上型電腦系統的前面板時，有時候會出現如圖4所示的長通道。即便使用CTLE，高頻損耗及抖動仍相當嚴重，而無法在3米(m)的USB 3.0纜線後呈現開啟眼狀型態。
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| 圖4 桌上型電腦USB 3.0前面板通道的範例 |
圖5顯示插入3米USB 3.0纜線，並依據圖4所示的通道進行的模擬。顯然整個眼狀型態呈現完成閉合，即便是使用CTLE功能後也是如此，這將導致實際資料傳輸出現誤碼率。
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| 圖5 前面板USB 3.0通訊埠實作的眼狀型態模擬 |
此時，經過明顯的高頻通道衰減後，需要某種形式的補償，才能呈現開啟眼狀型態。在個人電腦及伺服器中，逐漸運用轉接驅動器補償通道媒體中頻率的相關損耗。運作的方式是針對輸入訊號提供可程式高頻增益E1(f)，並且在發送器E2(f)預加強訊號，以便傳出的訊號能夠承受高頻損耗，順利抵達目標裝置。E1(f)及E2(f)能夠降低E1(f)×E2(f)高頻損耗H(f)的影響。
以轉接驅動器補償損耗
若要補償高頻損耗，基本上須要轉接驅動器，不過，用於如圖6所示的USB 3.0連結時，必須也符合USB 3.0電路規格、支援接收器偵測，並且對於頻帶外訊號而言完全透明，例如用於主機/集線器與終端裝置間，連結態機器狀態通訊的低頻週期訊號。
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| 圖6 USB 3.0連結中的USB 3轉接驅動器 |
目前市場上有許多廠商供應能夠補償USB 3.0連結通道損耗的轉接驅動器，例如德州儀器推出的SN65LVPE502轉接驅動器，支援USB 3.0旁頻帶訊號及接收器偵測，並且能夠追蹤USB 3.0低頻態，當連結轉為暫停模式時，轉接驅動器會將運作功率自動降低70%以上(從正常的作業模式降低)。另外，此款轉接驅動器偵測到連結活動時，能夠立即喚醒並返回正常的作業模式。此項功能相當適合電池使用時間是重要競爭優勢的行動應用。
為了研究圖4代表的USB 3.0連結中USB 3.0轉接驅動器等化功能所造成的影響，在圖7顯示的通道末端放置SN65LVPE502的HSPICE模型進行眼狀型態模擬。
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| 圖7 使用轉接驅動器進行前面板USB 3.0連接器實作。 |
圖8顯示通道中參照前面板實作如圖7所示的關鍵測試點所呈現的眼圖(Eye Diagram)。如圖8中監測點呈現的眼狀型態所示，轉接驅動器提供的高頻升壓有助於形成比圖5呈現的型態有更多容限的開啟眼狀型態。將3米纜線接在前面板，並且使用接收器CTLE，即可維持開啟眼狀型態。
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| 圖8 依據圖7的實作所呈現的眼圖 |
轉接驅動器是促進個人電腦平台廣泛採用USB 3.0通訊埠的多功能裝置，由於具備簡單的等化功能、小體積尺寸、低成本及低功耗等優點，因此能夠使各種通道達到相容的效能。
(本文作者任職於德州儀器)