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USB3.0爲何可以這樣?
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2011/5/4 17:02
From 桃園縣平鎮市環南路18號四樓之2
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首先先說一些 USB3.0 的廢話:
(1)USB3.0 的 SSRX/SSTX 只有一種傳輸速度:5Gbps (數位的傳輸速度,並非整體 USB3.0 的資料的傳輸量)
(2)USB3.0 未來的一種用途之一,可以以兩頭都是 USB3.0 Type A 的 Cable,直接讓兩台都支援 USB3.0 的電腦直接對傳資料(好強的功能,且在 Cable 上無需額外的晶片組)
(3)USB3.0 雖然在規格中沒有明定使用長度,但受限於電源要求及高頻上的某些要求,有一定的長度限制。
(4)USB3.0 的傳輸速度很快,因此,未來有很多的高階應用相繼出現,對於 USB3.0 的 Cable 來說,最快的應該就是外接硬碟的産品(Type A to Type B 及 Type A to Type Micro B)
(5)USB3.0 隨著 Windows7 在 2010 年一定會有一定的量,但 USB3.0 不見的只能在 Windows7 以上的版本出現,如果驅動程式有支援,也可能出現在 Windows XP 甚至於 Apple 的産品上。

USB3.0 晶片組與 Cable 有關的功能:
(1)USB3.0 的 TX(傳送端)可以支援不同的輸出功率,且支援 de-emphasis 的功能(就是傳送相同的 bit 資料如連續 11 時,第一個 1 的電壓可以比第 2 個大。在規格中,最大的 de-emphasis 爲 4dB)從高頻的角度來說,第一個 Bit 屬於比較高的頻率,第二個 Bit 屬於比較低的頻率,如果我們有做過高頻的測試,我們可以清楚,一般的 Cable 在高頻的衰減會比低頻的高,因此,當 USB3.0 的 TX 將比較高的頻率一開始就使用比較高的電壓,則對於傳輸會比較有幫助。但要達到這樣的功能,USB3.0 的晶片組必須比較耗電。
(2)USB3.0 的 TX,除了剛剛所提的 de-emphasis 功能外,也支援不同的輸出電壓,在 Low Power(低電壓)的應用中,平衡式輸出範圍爲 400mV~1200mV;在一般的運作中範圍爲 800mV~1200mV(標準輸出爲 1000mV)。
(3)USB3.0 的 RX(接收端)也支援 EQ 的使用,使用這種技術,可以將原本已經閉起來的眼圖變成張開,從高頻的角度來看,也是將原本的衰減加以補償,使用此一技術時必須小心會把干擾的訊號也同等放大。在 USB3.0 上,有規定 EQ 的規格,若有興趣,可以參照規格中的圖 6-17。同樣的,使用這種功能,也會增加 USB3.0 晶片組的功耗。
(4)USB3.0 的 RX 偵測能力特別強,只要平衡式電壓可以高於 100mV 就必須要偵測出來,這比HDMI的 150mV 還要靈敏。也就是說,基頻只要原來的 1/4(Low power)或 1/10(一般使用),就可以讓 USB3.0 RX 正確偵測。
(5)USB3.0 的傳輸速度爲 5Gpbs,也就是說,每一位元的時間長度只有 200 ps。這一點很重要,下面會陸續討論。

先從簡單的熱來探討未來 USB3.0 的應用:
(1)由於 0101 的變化,當變化越快,在 Cable 上越容易産生熱(不然 Cable 上的衰減跑到哪邊去了呢),因此,可以預見,未來以 5Gbps 傳輸的 USB3.0 在 Cable 上,若不斷的傳輸,一定會産生一定程度的熱。那到底哪些應用會有不斷的傳輸行爲:
(2)當未來的電腦,支援以 USB3.0 的硬碟當成系統硬碟時,作業系統無時無刻會與 USB3.0 的硬碟傳輸,此時,熱就會産生在晶片組與 USB3.0 的 Cable 上。
(3)由於 USB3.0 的頻寬夠,未來也會有以 USB3.0 當成視訊的傳送介面的産品出現;這樣的應用,等同在 USB3.0 上面,會不斷的傳送,因此,在晶片組與 Cable 上同樣會産生熱,同時,若以 USB3.0 當成視訊的傳送介面,若沒有經過 GPU(顯示卡晶片組),而是直接透過南僑晶片組,這樣也會消耗CPU的效率。
(4)上述兩種可能産生熱的因數,爲何要在 USB3.0 上特別提出來,主要的原因就是擔心未來的 USB3.0 Cable Assembly 最常出現使用端子夾的方式加工,若加工不當,很容易因爲熱漲冷縮,導致突然性的斷路,若使用在系統硬碟上,則會導致作業系統當機;若使用在視訊介面上,最少也會産生無法顯示畫面的問題。事實上,類似的問題已經在 SATA 上發生,

接下來,從傳輸速度與晶片組能力來探討 USB3.0 Cable 的關鍵重點:
從上面的討論,USB3.0 的晶片組能力這麽強,這樣的話,爲何 USB3.0 Cable 的規格還要制定的這麽嚴格呢原來,在 USB3.0 的傳輸中,經過 Cable 後,也幾個關鍵的重點:
(1)在前面提過, USB3.0 的 SSTX→SSRX 的傳輸速率爲 5Gpbs,也就是說每一個位元時間長度只有 200 ps,這個時間與 USB2.0 的 D+/D- 的 480Mbps 的每位元時間 2083ps 幾乎爲 1/10;若我們從 USB2.0 在 Intra pair skew 的要求爲 100 ps 來說,在 USB3.0 上似乎應該只能允許 10 ps。很有意思的是,在 USB3.0 的 Cable 要求中,針對裸線,要求爲 15 ps/m,也就是說,如果使用長度爲 2M,則可以允許 30 ps 的 intra pair skew 的容忍度,若有人製作到 10M,那不就可以允許 150 ps 的 intra pair skew 了呢?事實上,當初 USB2.0 所制定的 100 ps intra pair skew 要求過嚴,因此,我們可以看到許多超過 200 ps 的 USB2.0 Cable 都可以正常的在 USB2.0 上面運作。但是到了 USB3.0,若SSTX或SSRX的 Intra pair skew 超過 200 ps 的一半,基本上,USB3.0 晶片組的 RX 端已經無法正確判讀 0 與 1 的訊號了。簡單的說,USB3.0 未來會遇到某些 USB3.0 的 Cable,完全無法正確傳輸 USB3.0 的訊號出現。
(2)由於 USB3.0 支援雙向傳輸,因此,對於U SB3.0 Cable 來說,抑制串音的能力,相對重要。因爲當訊號從 TX 端傳送出來,到達 RX 端時,已經衰減一定的程度,此時,若另外一頭的 TX 端正好送出訊號,且有一定程度的對此一 RX 進行干擾,就會産生判讀的問題。
(3)至於 D+/D- 訊號對,在整個 USB3. 0的傳輸中,也是有機會干擾或受到干擾。
(4)整理上來說,USB3.0 晶片組,到目前爲止,還沒有能力將Skew的問題回覆回來,且當 Cable 上的干擾問題出現,也可能導致資料判讀上的錯誤。

USB3.0 電源管理與 Cable 的關係→
在敍述 USB3.0 的電源管理前,先以個人觀察的角度來訴說一下 USB3.0 有趣的電源這一塊。
首先從手機的角度來看待當時的 USB2.0;手機問世已經有很長的一段時間(說長也不長,至少我記得讀書的時候,只有大老闆用得起黑金剛手機,在臺灣更被稱之爲大哥大),後來的手機的發展朝小巧多功能等發展,並且在 USB 的問世後,有業者想到可以使用 USB 的介面來充電,在大陸更規定手機必須具備 USB 的充電功能。哇!!!一下子,手機使用 USB 的充電成了一股炫風,也幾乎成爲標準介面。(目前大廠牌的手機都支援以 USB 介面來充電
另外一個不可不關心的,就是在外接儲存介面上及外接光碟介面上的普及。由於硬碟越來越便宜,許多人除了自己的電腦所使用的硬碟外,也會有外接的硬碟,當成備份資料用途,這樣的介面,一開始問世時,由於耗電的問題,必須外家電源,方可讓 USB 外接硬碟正常使用,但後期的 USB 外接硬碟模組,在 USB2.0 後,已經可以在不外接電源的情況下正常啟用。至於 USB 外接光碟機,則隨著 Netebook 的普及,也廣泛的出現在市面上。許多 USB 外接光碟,同樣也標榜無須外接電源,即可正常的啟用。
除此之外,各種以 USB 爲電源介面的産品,如雨後春筍般的被開發出來,也被申請爲專利品。如 USB 介面的 LED 桌面燈,USB 介面的風扇,滑鼠鍵盤。。。。。等。
只能說,USB 的光環一直圍繞著我們,相信未來 10 年也是一樣的,且隨著 USB3.0 的問世,應用更廣。

USB2.0 的電源供應,在主機端(Host)有一定的規定,他是以單位負載(unit load)來敍述的,每一個單位負載,在 USB2.0 爲100mA,也就是說,若以 USB2.0 輸出電源爲 5V(一般值來說),則每一單位的功率負載爲 P=I * V=0.1 * 5= 0.5 瓦(W),且一個裝置最多可以使用 5 單位負載,也就是消耗最多 500 mA 的電流。
在USB2.0 的主機端,A母端接頭處,多單位負載的應用中,該處最低的輸出電壓必須大於 4.75V, USB2.0 的 Cable Assembly 的電源線電壓降必須小於 125mV(0.125V),這樣的規定,莫若於讓裝置可以正常的驅動,而不至於當裝置無自己的電源時,當使用主機端的電源,出現不可預期的低電壓低電流狀態。
這樣的電源供應,在 USB3.0 上,加強了許多,例如在 USB3.0 中所定義的單位負載更改爲 150mA 的電流供應,且針對高耗電裝置必須支援 6 個單位負載,也就是 900 mA。至於在 Cable Assembly 的電壓降部分,在 VBUS 上必須小於 171mV(0.171V)。
USB2.0/3.0 在電源管理上的嚴謹度,讓許多以 USB 爲介面的周邊,得以正常的運作。這乃歸功於整個規範的嚴謹度。
如今,以 USB 爲介面的外接裝置可以依據 USB 在電源上的要求,來決定産品是否需要額外的電源。(當然,産品的開發若不需要額外電源,除了更加受歡迎外,也可以節省成本。
以上針對電源部分的敍述,若有不足之處,還望各位先進加以補充。

USB3.0 SSRX/SSTX 差模轉共模損號(Differential to Common mode Convertion)→
先前在電線電纜網站中,小弟也曾發言過有關於此一參數的測試相關議題,在此,除了整理先前的發言外,也加入了先前沒有述說的部分:
要討論此一參數,可以從幾個角度來討論。
(1)先從此一參數的數學理論模式談起→
在網路分析儀的量測中,此一參數的專有S參數名稱被命名爲 SCD21,也就是說,平衡式傳送訊號,共模式接收(Differential mode Transmit, Common mode receive)。 這樣說好像還不夠清楚,更明白的說,當我們的訊號以平衡是傳輸時,若我們將傳送端的兩個訊號分別以 P1、 P2 來表示(也就是平衡式TX端),接收端的兩個訊號分別以 P3、P4 來表示(也就是平衡式的 RX 端)。此時,我們量測訊號的平衡式衰減(SDD21或SD2D1)時,他的數學模式爲:1/2 * (S31 + S42 - S32 - S41),從字面上的解釋就是P1對P3的衰減加上P2對P4的衰減,減去P1對P4的耦合量(也可以稱之爲串音量)且減去P2對P3的耦合量。
至於平衡式轉共模式損耗 SCD21,他的數學模式爲: 1/2 *(S31 - S42 + S41 - S32),從字面上的解釋就是 P1 對 P3 的衰減量,減去 P2 對 P4 的衰減量,加上 P1 對 P4 的耦合量,減去 P2 對 P3 的耦合量。簡單一句話來說,就是 P1<→P3 與 P2<→P4 彼此之間的對稱量測。 當不對稱時,此一參數就會變差。
因此,對稱的量測,就變成此一參數的真諦,也是生産此一 Cable 必須面對的課題。 這裏的 S 參數,代表著兩個含量,一個含量爲訊號強度的大小,另外一個含量爲訊號角度的變化量。簡單的說,SCD21 必須考量除了大小的對稱外,也必須考量相位的對稱。
(2)從連接器的定義來打抱不平→
相信許多人都知道,USB3.0 在連接器上的 SSRX/SSTX 共用了 5 隻腳位,其中有一隻爲 GND(共用地)。此一設計,可以降低成本,但卻讓 USB3.0 的訊號産生先天的缺陷。也就是說,訊號在連接器上(S 爲訊號線,G 爲地線),以 SSGSS 的排列方式呈現,與 SATA 以 GSSGSSG 的 7 隻腳位排列,産生了先天的不對稱。舉一個厘科科技經常與客戶討論時所提的例子,這就好像是一個人,兩手都扶著柺杖(SATA)與另外一個人只能單邊扶著柺杖(USB3.0)一樣,當然是兩手都扶著柺杖的人所呈現的狀態比較對稱來比喻。
對於訊號的傳輸也是一樣的。當 GSSG 的傳輸時,左側的S其左側訊號有個G,右側的S其右側也有個G,這樣的傳輸,相對對稱;但是 USB3.0 的 SSG,其左側的 S,其左側沒有 G,但右測的 S 其右側有 G。因此,USB3.0 連接器本身的對稱性就有先天上的缺陷。但由於 USB3.0 未來屬於低價位的産品,因此,在這樣的情況下,只要産品還能夠符合預期,使用這樣的結構,還是可以接受的。
(3)從 SCD21 的數學模式來探討 EMI 效應→
USB3.0 的 SSRX/SSTX 訊號線,在 Cable Assembly 中,必須以金屬遮蔽物加以對與對隔離。這使得訊號在傳輸時,幾乎都被束縛在 STP 結構中。但是在 Assembl y加工段與連接器段,由於加上上的問題及連接器沒有設計成 STP 結構(成本會變高)的原因下,此處最容易産生訊號的干擾與輻射。對於以平衡式傳輸的 SSTX 來說(主機端與裝置端都有一對以 SSTX 命名的訊號),當對稱性不夠,或遮蔽不完全時(一定無法 100% 遮蔽),就會産生訊號的干擾與輻射問題出來。再加上由於訊號的接地無法理想化(GND 夠廣與夠平均),更加大這樣的效應出來。當 USB3.0 以更高速來進行傳輸(5Gpbs),這樣的效應就更加擴大。因此,除了 USB3.0 外,在 SATA III(6Gpbs)的傳輸上,也同樣探討 EMI 及 SCD21 的問題。
(4)從理論的角度來解決此一問題→
從上面的說明,從理論上來解決此一問題就變的相當的單純,但對於生産設備或 Cable Assembly 加工來說,就變的相當困難。 首先,在此再次強調我們經常與客戶所說的,購買網路分析儀時,不要貪 2 Port 與 4 Port 網路分析儀的差價,而選購只有 2 Port 的網路分析儀,特別針對要生産高速訊號線的客戶來說,使用 4 Port 網路分析儀的重要性從這裏可以顯現出來。 當 SCD21 的模式可以從數學的模式表示出來,將他轉化爲生産裸線,及加工時,甚至選擇比較對稱的連接器(連接器事實上可以做的比較對稱喔),就顯得相當的重要。(後續……)
(5)到底 SCD21 重不重要→
一直以來,在 Cable Assembly 上,總是會出現客戶這樣的質問,爲何我使用 A 家的 Assembly,EMI 沒有問題,但使用 B 家的 Assembly,EMI 卻不會過。
對於 USB3.0 來說,此一問題,以往除了連接器的遮蔽效應問題外,由於傳輸速度高達 5Gbps 的原因,且 USB3.0 支援高功率,高電壓差傳輸,此一問題有可能更加嚴重。但若你的應用沒有 EMI 的考量,或許不用將此一參數當成必要條件。
當 SCD21 差,也會導致 USB3.0 的 NEXT 變差,當 NEXT 差到一定的程度,若此時 USB3.0 的 SSTX/SSRX 同時進行雙向傳輸時,有可能産生誤判或無法判斷的問題出現。這也是爲何 USB3.0 特別強調NEXT且要求的相當的嚴格。(在前面也有敍述過相關的議題
以上說明,若無法完整的闡述 SCD21,也歡迎與我聯繫。

LiTek Leo about SCD21.

Posted on: 2011/12/6 11:37

Edited by webadmin on 2011/12/6 13:46:10
Edited by webadmin on 2011/12/6 13:48:33
Edited by webadmin on 2011/12/6 13:53:49






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