USB-3.0-Redriver: Hohe Datenraten auch über lange Kabel sicherstellen

| Autor / Redakteur: Rich Miron * / Michael Eckstein

Eingeschränkt: USB 3.0 erreicht höchste Datenraten nur dann, wenn das Kabel zwischen Host und Peripheriegerät maximal drei Meter lang ist.
Eingeschränkt: USB 3.0 erreicht höchste Datenraten nur dann, wenn das Kabel zwischen Host und Peripheriegerät maximal drei Meter lang ist. (Bild: Digi-Key)

Aktuelle USB-Versionen übertragen Daten mit bis zu 2,5 GByte/s. Allerdings nur über kurze Distanzen bis maximal drei Meter. Mit Redrivern klappt das auch über längere Kabel.

USB-3.0-Kabel dürfen laut Spezifikation maximal 3 m lang sein. Bei längeren Kabeln droht die Signalintegrität zu leiden, etwa durch Einfügedämpfung, Übersprechen, Intersymbol-Interferenz (ISI). Daraus resultiert ein reduzierter Datendurchsatz. Entwickler von USB-Komponenten können der Verschlechterung des Signals mithilfe mehrerer Techniken entgegenwirken – zum Beispiel Redriver-Schaltungen.

Die Auswirkungen von Einfügedämpfung und ISI könnten beispielsweise durch Entzerrung und Akzentuierung begrenzt werden. Und eine Erhöhung der DC-Verstärkung trägt zur Vermeidung von Verlusten durch Übersprechen bei. Allerdings erhöhen zusätzliche Schaltungen zur Konditionierung des Signals die Komplexität des USB-Systems. Hinzu kommt: USB-Technologie verwendet für das Senden und Empfangen unterschiedliche Signalpaare, was den Schaltungsaufwand verdoppelt.

Schnelle USB-3.0-Signalübertragung ist anfälliger für Störungen

Das bei schneller Datenübertragung über USB-Kabel auftretende Problem der Signalverschlechterung ist nicht auf diese Technologie beschränkt. Es betrifft alle Produkte, bei denen eine Highspeed-Übertragung eingesetzt wird. Sie betrifft auch nicht nur Installationen mit langen USB-Kabeln. Aber da die Auswirkungen bei kurzen Kabeln geringer sind, ist auch das Problem dort kleiner. Eine Signalverschlechterung bei Highspeed-Kommunikationssystemen ist in erster Linie eine Kombination von Einfügedämpfung, Übersprechen und ISI.

Die Einfügedämpfung wird durch eine vom Kabel verursachte Leistungsdämpfung des Signals verursach. Die Dämpfung ist proportional zur Länge des Kabels. Übersprechen ist eine kapazitive oder induktive „Kopplung“ von benachbarten Trägersignalen. ISI tritt auf, wenn sich ein Symbol (das diskrete Signal, das die Daten enthält und mit der Trägerfrequenz wiederholt wird) und das vorhergehende Symbol stören, was zu stärkerem Rauschen und zu Verzerrungen führt. ISI ist proportional zu beiden Trägerfrequenzen (da die zeitliche Lücke zwischen Signalen bei hohen Frequenzen kleiner wird) und zur Länge der Kabel (da der Rauschabstand mit der Länge eines Kabels sinkt).

„Rauschen“ ist der Teil des Signals, der keine nützliche Information trägt. Highspeed-USB-Systeme produzieren zudem deterministische und zufällige Schwankungen („Jitter“). Wenn der Rauschabstand so klein wird, dass ein Teil der übertragenen Daten vom Empfänger nicht dekodiert werden kann, leidet die Datenrate oder es kommt zu Kommunikationsfehlern. Es gibt vier Techniken, um Signal zu konditionieren und den Rauschabstand zu verbessern:

  • Bei der Akzentuierung/Deakzentuierung werden die am ehesten vom Rauschen betroffenen Übertragungsfrequenzen verstärkt und dann am Empfänger wieder deakzentuiert, um das ursprüngliche Signal wiederherzustellen.
  • Bei der Entzerrung werden Filter verwendet, um sicherzustellen, dass das empfangene Signal den Frequenzcharakteristika des übertragenen Signals entspricht, wodurch letztlich ein flacher Frequenzgang über die gesamte Länge des Kabels aufrechterhalten wird.
  • Bei der DC-Verstärkung wird die lineare Dämpfung eines Kabels einer gegebenen Länge kompensiert.
  • Durch das Steuern der Schwankung der Ausgangsspannung wird die Konfiguration der differenziellen USB-Spannungen ermöglicht, was die Einhaltung der Spezifikation (0,8 bis 1,2 V) sicherstellt.

Mit USB-Redrivern lässt sich eine transparenten Signalkonditionierung auf einem USB-Kanal sicherstellen. Produkte wie der PI3EQX1001XUAEX von Diodes Incorporated, ein linearer 1-Kanal-USB-3.1-Redriver mit 10 GBit/s, stellen die ursprüngliche Qualität von Highspeed-USB-Signalen wieder her, bevor sie vom Endpunktgerät empfangen werden. Da Redriver sich weitreichend konfigurieren lassen, kann der Chip auf der Host-USB-Platine so nahe wie möglich am Steckverbinder oder am anderen Ende des Kabels nahe am Steckverbinder des Peripheriegeräts oder des Endpunkts angebracht werden.

Evaluierung von geeigneten Redriver-Designs

Die Leiterbahnen auf der Platine sollten entsprechend den empfohlenen Verfahren für Highspeed-Signale verlegt werden. Z. B. sollten sie zueinander passende differenzielle Paare mit kontrollierter Impedanz bilden. Beim Routing sollten Durchgangslöcher und scharfe Biegungen vermieden werden (möglichst nicht unter 135°), und die Leiterbahnen sollten auf eine solide Masse-Ebene ohne Aussparungen und Aufteilungen bezogen werden, um Ungleichmäßigkeiten der Impedanz zu vermeiden. Sobald die Platine und die Komponenten montiert sind, können die Parameter für die Signalkonditionierung konfiguriert werden.

Ein Beispiel ist der USB-3.0-Redriver PTN36043BXY von NXP. Dieser aktive 2-zu-1-Switch verarbeitet zwei Kanäle. Er minimiert Übersprechen und kann zwei differenzielle Signale an eine von zwei Stellen leiten. Entzerrung, Akzentuierung/Deakzentuierung und die Änderungen der Ausgangsspannung für jeden Kanal (vom USB-Host zum Redriver und vom Redriver zum Peripheriegerät) lassen sich einzeln anpassen. Die Dämpfung des Kabels lässt sich zudem durch Erhöhen der DC-Verstärkung kompensieren.

Kurzes Zeitfenster: Der Jitter in einem Highspeed-USB-System mit Redrivern sollte so begrenzt werden, dass die vollständige Kompensation innerhalb von 200 ps nach dem Signalübergang eintritt.
Kurzes Zeitfenster: Der Jitter in einem Highspeed-USB-System mit Redrivern sollte so begrenzt werden, dass die vollständige Kompensation innerhalb von 200 ps nach dem Signalübergang eintritt. (Bild: Texas Instruments)

An jeden der Kanäle sind zwei Steuer-Pins angeschlossen, über die Parameter für die Signalkonditionierung für eine bestimmte Gerätekonfiguration festgelegt werden können. Für jeden Kanal stehen neun Kombinationen für die Signalkonditionierung auf der Sende- und Empfangsleitung zur Verfügung. Die optimalen Werte lassen sich mithilfe eines Prototyps bestimmen. Dabei helfen Kits wie das Evaluierungsmodul USB-REDRIVER-EVM von TI. Das Modul basiert auf dem 3,3V-1-Kanal-USB3.0-Redriver TUSB501DRFR. Bei Aktivität führt der Chip in regelmäßigen Abständen eine Empfängererkennung auf dem TX-Paar durch. Erkennt er einen SuperSpeed-USB-Empfänger, aktiviert er RX-Terminierung und ist für den Redrive-Vorgang bereit.

Der Chip verfügt über einen Entzerrer für den Empfänger mit drei Verstärkungseinstellungen (3, 6 und 9 dB), die über den „EQ“-Pin gesteuert werden. Auf dem Chip können auch die Deakzentuierung (De-Emphasis) und die Ausgangsschwankung (Output Swing) über den „DE“-Pin und den „OS“-Pin eingestellt werden. Wenn für die Ausgabeschwankung „Low“ festgelegt wird, lässt sich die Deakzentuierung zwischen 0 und -6,2 dB einstellen, bei „High“ zwischen -2,6 bis -8,3 dB. Das Evaluierungsmodul wird vom Host über den VBUS-Pin versorgt und gibt die Versorgungsspannung an den nachgeordneten Anschluss zur Versorgung des Peripheriegeräts weiter. Einer der TUSB501-Redriver auf der Platine verstärkt die Sendeleitungen, während sich der andere um die Empfangsleitungen kümmert.

Die Standardwerte für die Entzerrung und Deakzentuierung werden entsprechend den beim Senden und Empfangen in einem typischen USB-3.0-System mit einem Kabel von 3 bis 5 m Länge und 20 bis 25 cm langen Leiterbahnen auftretenden Werten konfiguriert. Die DC-Verstärkung wird durch Wahl eines entsprechenden Widerstands umgesetzt.

Testen eines Systems mit USB-Redriver-Verbindung

Beim Testen eines physischen Systems ist es wichtig zu berücksichtigen, dass der Redriver das USB-Signal modifiziert und so auch selbst den System-Jitter beeinflusst. Dieser sollte gemessen werden, um seine Auswirkungen auf die Einstellungen für die Signalkonditionierung zu überprüfen. TI empfiehlt ein Testsystem mit einem 3 m langen Kabel und eine USB-Hostplatine mit 24 cm langen Leiterbahnen, in dem der Redriver in einem Abstand von 10 cm vom Steckverbinder angebracht ist. Das Peripheriegerät am anderen Ende des Kabels wird durch eine Platine mit Leiterbahnen einer Länge von 2,5 bis 15 cm repräsentiert.

Bei einer idealen Konfiguration ist kein Jitter vorhanden. Eine Kompensation wie die Deakzentuierung würde sich unmittelbar nach einer fallenden und steigenden Signalflanke auswirken. In der Praxis ist das unmöglich. TI empfiehlt, den Jitter durch den Aufbau so zu begrenzen, dass die vollständige Kompensation innerhalb von 200 ps nach dem Übergang stattfindet. Ursprünglich war USB 3.0 für maximal 2 m Kabellänge ausgelegt. Aufgrund der hochfrequenten Signale ist bei Kabeln ab 3 m mit Signalbeeinträchtigungen zu rechnen. Kompakte und günstige Redriver versetzen Entwickler in die Lage, Highspeed-USB-Signale durch Entzerrung, Akzentuierung und DC-Verstärkung zu verbessern.

* Rich Miron ist Applications Engineer und Sr. Technical Content Developer bei Digi-Key Electronics in Wadena, Minnesota

Kommentar zu diesem Artikel abgeben

Schreiben Sie uns hier Ihre Meinung ...
(nicht registrierter User)

Zur Wahrung unserer Interessen speichern wir zusätzlich zu den o.g. Informationen die IP-Adresse. Dies dient ausschließlich dem Zweck, dass Sie als Urheber des Kommentars identifiziert werden können. Rechtliche Grundlage ist die Wahrung berechtigter Interessen gem. Art 6 Abs 1 lit. f) DSGVO.
Kommentar abschicken
copyright

Dieser Beitrag ist urheberrechtlich geschützt. Sie wollen ihn für Ihre Zwecke verwenden? Kontaktieren Sie uns über: support.vogel.de/ (ID: 45946365 / Mikrocontroller & Prozessoren)