如果主機距離外圍設備很近，最新版本的 USB 可提供高達 2.5 Gb/s 的速率。在長距離使用 USB 的應用中，設計人員必須找到一些方法來抵消信號衰減，以維持 USB 規(guī)定的數(shù)據(jù)速率。

雖然也可以采用均衡、加重和直流增益技術，但通過 USB 轉接驅動器，設計人員可獲得更大的成功并縮短上市時間。轉接驅動器是集成器件，包括解決信號衰減所需的所有電子元件。

本文首先介紹轉接驅動器的操作，然后引入一些示例器件并說明其應用方式。

USB 可以拉長距離，但需要付出代價

USB 規(guī)范在制定時，會假定僅在相距幾米內(nèi)的器件之間進行連接，例如計算機和外部硬盤驅動器之間的連接。USB 3.0 規(guī)范規(guī)定電纜長度應限制在 3 米以內(nèi)，以保持信號完整性。但 USB 技術的成功之處正在于現(xiàn)在它可用于出于實際需要必須使用更長電纜的應用。示例包括將服務器與安裝在大型商店中的顯示器面板連接。

遺憾的是，較長的電纜與高速 USB 版本常見的高頻信號相結合，會帶來信號完整性挑戰(zhàn)，例如通道插入損耗、串擾、碼間干擾 (ISI) 以及隨之而來的吞吐量降低。

USB 系統(tǒng)設計人員可以采用多種技術來克服信號衰減。例如，均衡和加重可用于限制通道插入損耗和 ISI 的影響。提高 DC 增益有助于克服串擾引起的損耗。

但是，設計信號調節(jié)電路會增加 USB 系統(tǒng)的復雜性，并且加大挑戰(zhàn)的嚴峻程度，因為 USB 技術使用單獨的信號對進行發(fā)送和接收，導致所需的電路加倍。USB 轉接驅動器的出現(xiàn)為設計師帶來了福音。

信號衰減的原因

高速 USB 需要克服的信號衰減問題并非該技術所獨有；所有高速通信鏈路產(chǎn)品的設計人員都熟知此類問題。它們也不是長電纜 USB 安裝所獨有，但由于短電纜中的信號衰減較少，因此問題并不明顯。

高速通信系統(tǒng)中的信號衰減主要是由于插入損耗、串擾和 ISI 的共同作用。

插入損耗是由電纜引起的信號功率衰減的結果。損耗與電纜長度成正比。串擾是相鄰信號載波的電容、電感或電導“耦合”，這降低了兩者中信號的完整性。當一個符號（攜帶數(shù)據(jù)并根據(jù)載波頻率重復的離散信號）干擾前一個符號時，會發(fā)生 ISI，從而會增加噪聲和失真。ISI 與載波頻率（因為信號之間的時間間隔隨著頻率升高減小）和電纜長度（因為信噪比 (SNR) 在較長的電纜中減小）成比例。噪聲是信號中不攜帶有用信息的部分。

高速 USB 系統(tǒng)還將包括一定量的確定性和隨機性抖動，可以理解為與信號標稱周期性的小偏差，這可能損害信號完整性。系統(tǒng)通信頻率越高，抖動的影響越大。

克服信號衰減

高速通信系統(tǒng)中不可避免地存在一些信號衰減，但是僅在 SNR 變得太差以至于發(fā)送的某些數(shù)據(jù)無法在接收器處解碼時，信號衰減才會成為一個問題。這會導致吞吐量受損，并且在極端情況下引發(fā)通信故障。

工程師已經(jīng)開發(fā)出四種技術來提高 SNR（或實施“信號調節(jié)”），以提升高速通信系統(tǒng)的吞吐量：

加重/去加重放大最可能受噪聲影響的發(fā)射頻率，然后在接收器處對其去加重，以重建原始信號。

均衡使用濾波來確保接收信號與發(fā)送信號的頻率特性相匹配，從而有效保持整個電纜長度上平坦的頻率響應。

直流增益可補償給定長度電纜的線性衰減。

輸出擺幅控制可配置 USB 差分電壓，以確保其符合 0.8 至 1.2 伏的規(guī)格要求。

優(yōu)化特定配置的通信需要進行大量測試，以確定一系列操作條件所需的均衡、加重、DC 增益和輸出擺幅控制的量。然后，可使用該信息在操作期間自適應更改每個參數(shù)，以維持理想信號。但是，對所有系統(tǒng)執(zhí)行自適應信號調節(jié)，而非僅針對最關鍵的通信系統(tǒng)，這并不實際。

無源信號調節(jié)，即單個設置滿足所有操作條件，確實能夠以低得多的成本獲得合理的結果。缺點是它無法始終確保最佳條件。設計人員可以通過提供特定長度的電纜（其設計已經(jīng)過使用測試）或指定最大電纜長度來確保消費者滿意。

USB 主機（微處理器）到轉接驅動器通道，以及轉接驅動器到外圍通道（通過連接器和電纜）都需要進行信號調節(jié)。通常，每側都需要不同的信號調節(jié)參數(shù)。

重新設計轉接驅動器

USB 轉接驅動器是一種對 USB 通道實施透明（不影響數(shù)據(jù)傳輸）信號調節(jié)的方便且相對低成本的方式。諸如 Diodes Incorporated 的 PI3EQX1001XUAEX（一種 10 Gb/s、1 通道 USB 3.1 線性轉接驅動器）之類的產(chǎn)品，在端點設備接收之前，將高速 USB 信號恢復到原始狀態(tài)（圖 1）。

圖 1：USB 轉接驅動器（比如 Diodes Incorporated 的 PI3EQX1001XUAEX）是恢復長電纜信號完整性的便捷方式。（圖片來源：Diodes Incorporated）

由于轉接驅動器允許各種配置參數(shù)，因此芯片可以安裝在主機 USB 印刷電路板上，盡可能靠近連接器，或者安裝在電纜的遠端，靠近外圍設備或端點設備的連接器（如圖 1 所示）。但是，大多數(shù)應用在電纜的主機 USB 端使用轉接驅動器。

電路板印制線的設計應符合高速信號設計的最佳實踐指導準則。例如，印制線應是匹配、阻抗受控的差分對。布線應避免使用過孔和急轉彎（保持在 135°或更大角度），并且印制線應以穩(wěn)固的地平面為基準，不得有切斷和分叉，以防止阻抗不連續(xù)（圖 2）。

圖 2：將 USB 主機連接到轉接驅動器和連接器的印制線應采用高速信號設計最佳實踐。例如，轉彎應限制在 1350 以限制干擾。（圖片來源：Texas Instruments）

組裝了印刷電路板和組件之后，開發(fā)人員就可以配置信號調節(jié)參數(shù)以滿足特定通道的特定特性。

NXP Semiconductors 的 PTN36043BXY USB 3.0 轉接驅動器是現(xiàn)代產(chǎn)品的一個示例。該芯片是一款緊湊型、低功耗、雙差分通道產(chǎn)品，使用 2 對 1 有源開關，帶有集成的 USB 3.0 轉接驅動器。該開關可以將兩個差分信號引導至兩個位置之一，并采用最小化串擾的設計（圖 3）。

圖 3：NXP Semiconductors 的 USB 3.0 轉接驅動器集成了加重、均衡、直流增益和輸出擺幅控制。由于電纜特性在不同方向上各不相同，因此傳輸線和接收器線需要單獨控制。此轉接驅動器結合 USB Type-C 連接器使用，因此它在連接器側具有兩條發(fā)射和接收雙絞線。（圖片來源：NXP Semiconductors）

NXP USB 3.0 轉接驅動器允許開發(fā)人員調整每個通道（USB 主機到轉接驅動器和轉接驅動器到外設）的加重/去加重、均衡和輸出擺幅。此外，該器件還可通過提高直流增益來補償電纜衰減。

每個通道連接到兩個控制引腳，允許設計人員為給定設置選擇信號調節(jié)參數(shù)。對于每個通道上的 TX/RX 線路，開發(fā)人員可以從九種信號調節(jié)組合中選擇（表）。

CH1_SET1 CH1_SET2 RX_AP_± 去加重 RX_AP_± 輸出擺幅 TX_AP_± 均衡器 低 低 -3.9 dB 1100 mV 3.0 dB 開 -3.5 dB 900 mV 3.0 dB 高 0 dB 1100 mV 3.0 dB 開 低 0 dB 900 mV 3.0 dB 開 -3.9 dB 1100 mV 0 dB 高 -3.5 dB 900 mV 0 dB 高 低 0 dB 1100 mV 0 dB 開 0 dB 900 mV 0 dB 高 -5.3 dB 1100 mV 6.0 dB

表： 當使用 NXP 轉接驅動器時，對于 USB 主機到轉接驅動器通道上的 TX/RX 線路，開發(fā)人員可以從 9 個信號調節(jié)參數(shù)中選擇。類似選項可用于轉接驅動器到外設通道。（表格來源：NXP Semiconductors）

評估轉接驅動器設計

需要在一系列工作條件下評估原型，以確定加重、均衡、直流增益和輸出擺幅控制的最佳選擇。由于可使用評估套件，設計人員的任務變得更加輕松。

例如，Texas Instruments 提供 USB-REDRIVER-EVM USB 3.0 轉接驅動器評估模塊 (EVM)（圖 4）。此模塊基于該公司的 TUSB501DRFR USB 3.0 3.3 V 單通道轉接驅動器。

圖 4：TI 的 USB 3.0 轉接驅動器評估模塊使開發(fā)人員可以嘗試一系列配置，以優(yōu)化其設計的信號完整性。（圖片來源：Texas Instruments）

當 USB 系統(tǒng)處于活動狀態(tài)時，TUSB501 會定期對 TX 對執(zhí)行接收器檢測。如果它檢測到 SuperSpeed USB 接收器，則 RX 終端變?yōu)閱⒂脿顟B(tài)，并且 TUSB501 可隨時轉接驅動。

該芯片采用一個接收器均衡器，具有三個由引腳“EQ”控制的增益設置（3、6 和 9 dB）。該芯片還支持引腳“DE”和“OS”上的去加重和輸出擺幅。去加重值取決于輸出擺幅選擇。當輸出擺幅設置為“低”時，去加重可以設置在 0 到 -6.2 dB 之間。設置為“高”時，EM 支持 -2.6 到 -8.3 dB 之間的去加重。

EVM 作為 USB 適配器，包含兩個 TUSB501 轉接驅動器（另加一個 USB 2.0 轉接驅動器）。適配器由 USB 主機 VBUS 引腳供電，并將電源電壓傳遞到下游端口，以為外設供電。

EM 上的一個 TUSB501 轉接驅動器可以提升主機 TX 線路性能，而另一個則可以控制 RX 線路。均衡和去加重值的默認配置值，通常與帶有 3 到 5 米長電纜和 20 到 25 厘米電路板印制線的 USB 3.0 系統(tǒng)的發(fā)送和接收配置值相同。直流增益通過選擇合適的電阻器來實施。

EVM 允許開發(fā)人員測試對轉接驅動器配置參數(shù)的更改如何影響高速 USB 系統(tǒng)的 TX 和 RX 對的信號完整性。EVM 還可作為參考設計，針對任何預期應用進行修改。它配有 USB Type-A 插頭和插座。

使用 USB 轉接驅動器連接來測試系統(tǒng)

在測試物理系統(tǒng)時，務必要記住轉接驅動器會修改 USB 信號，從而造成系統(tǒng)抖動。應測量此抖動，以檢查其對信號調節(jié)設置的影響。

TI 建議使用帶有 3 米電纜的測試系統(tǒng)和帶有 24 英寸印制線的主機 USB 印刷電路板，并將轉接驅動器放置在距離連接器 4 英寸的位置。在電纜的遠端，外設由印刷電路板代表，印制線尺寸在 1 到 6 英寸之間（圖 5）。

圖 5：使用 TUSB501 轉接驅動器的高速 USB 抖動測試設置。該設置復制一個應用，比如使用 3 米電纜連接到外圍閃存驅動器的 PC。（圖片來源：Texas Instruments）

理想的設計將表現(xiàn)出零抖動，確保在從高到低/從低到高轉換之后，立即完全應用去加重之類的補償。由于這并不現(xiàn)實，TI 建議設計限制抖動，以便在轉換的 200 皮秒 (ps) 內(nèi)應用完全補償（圖 6）。

圖 6：應限制使用轉接驅動器的高速 USB 系統(tǒng)中的抖動，以便在信號轉換的 200 ps 內(nèi)應用完全補償。（圖片來源：Texas Instruments）

總結

USB 3.0 的原始形式適用于最大長度為 2 米的電纜，但目前的許多應用使用更長的電纜。由于該技術需要使用高頻信號，將電纜長度延長超過 3 米會帶來信號完整性問題，從而影響吞吐量。低成本且緊湊的 USB 3.0 轉接驅動器提供了一種相對簡單的解決方案，使開發(fā)人員能夠增加均衡、加重和 DC 增益，從而提升高速 USB 信號質量。

如上所述，硅供應商現(xiàn)在提供基于轉接驅動器的現(xiàn)成 EVM，從而可以在建議的應用中輕松試用目標器件。數(shù)據(jù)表包括元器件和印刷電路板布局信息，允許將 EVM 用作最終產(chǎn)品的參考設計。