关于中繼補償傳輸通道耗損 Retimer確保訊號完整性的介绍和回顾

USB規範是USB開發者論壇(USB IF)維護的產業標準，規定了許多個人電腦與外接周邊設備間USB連接事項，比如電纜、接頭、連線協定、通訊以及電源。作為目前最新版本的USB規範，USB 3.2將資料傳輸頻寬大幅提升至10Gbps。USB 3.2 Gen2規範大幅提升了資料編碼效率，提供的速率比USB 3.1 Gen1一代提供的速率(5Gbps)快一倍。

USB Type-C(也作USB-C)支援最新的USB 3.2標準。特性完備的USB-C電纜可支援10Gbps的資料輸送量，是USB 3.2 Gen1標準的兩倍。根據DisplayPort 1.4標準，在每路顯示輸出中該電纜支援四通道，每通道資料傳輸率可達8.1Gbps。DisplayPort則是以資料包的形式通過數位介面同時傳輸高解析度音視訊訊號，總頻寬可達32.4Gbps。高速的資料傳輸率和常見的嵌入式時鐘架構的結合，有助於在差分訊號對通道中傳輸海量的資料和影音訊號。

訊號完整性成高速訊號傳輸挑戰

高速訊號在通過電纜或印刷電路板傳輸時，衰減現象很嚴重，甚至會導致訊號畸變。訊號通常透過傳輸線路傳輸，長度為10到12英吋的傳輸線路導致的通道插入損耗達20dB或更高。此外，反射、串擾、雜波訊號和散射都會導致訊號完整性與眼圖區間惡化。訊號傳輸距離增加導致訊號衰減程度加重且訊號品質下降，進而導致資料位元錯誤，無法在遠端或接收端成功復原傳輸的訊號。

為避免或減輕這種現象，須為資料傳輸率為8.1Gbps以上的序列介面設置中繼器，以濾除隨機雜波和系統雜訊，使訊號符合規範要求。中繼器通常部署在通道途中，以補償通道損耗。目前有兩種類型的中繼器：Retimer和Redriver。Retimer可對來自上游通道的訊號進行均衡，使用CDR恢復時鐘訊號，並生成數位應激訊號，傳送至下游通道。Redriver可均衡來自上游通道的訊號並將其傳送至下游通道。它的輸出訊號在輸入訊號的連續驅動下生成。Redriver不包含CDR，也不執行重定時操作。

桌機/筆電USB-C與USB-A介面訊號改善方案

在所有互聯協定中，資料傳輸速率不斷提高，對CPU的性能要求更高，進而提升整個通道的資料傳輸速率。當主流CPU供應商不斷減小其晶片尺寸以降低功耗、維持性價比時，這種情形尤其明顯，最終導致保證訊號符合規範要求的最大傳輸路徑長度不斷縮短。

英特爾(Intel)的CNL和CFL平台USB3.1 Gen 2應用設計指南建議OEM廠商在使用USB-C接頭時，使用基於Retimer的主動複用解決方案；在使用USB Type-A接頭時，使用Retimer方案，以保證訊號完整性，獲得更好的JTOL區間。Retimer應用必須符合USB 3.2規範的附錄E，在USB 3.2 Gen2模式下能夠提供23dB的損耗補償。

USB 3.2規範定義了以下兩種類型的Retimer：

·SRIS Retimer

在SSC無關參考時鐘(Separate Reference clock Independent ofSSC, SRIS)Retimer應用中，傳輸時鐘訊號來自本地參考時鐘，與接收端復原的時鐘訊號無關。

·BLR

數據位元Retimer(Bit-Level Retimer, BLR)的應用中，傳輸時鐘訊號來自接收端復原的時鐘訊號(鏈路訓練的某些階段除外)。

圖1 對桌機/筆電的USB-C插入損耗進行補償設計

圖1與圖2為對桌機/筆電的USB-C插入損耗進行補償的設計。從圖1和圖2可知，DisplayPort的插入損耗為10.7dB(資料傳輸率8.1Gbps)；USB-3的插入損耗為12.8dB(資料傳輸率10Gbps)。

圖2 對桌機/筆電的USB-C插入損耗進行補償設計

矽谷數模(Analogix)對此進行了一項測試，測試環境如下：

1. USB主機：Gigabyte GB-BSi5HA- 6200

2. 插入損耗板：15英寸(USB-C -micro-USB, FR-4)

3. Retimer(ANX7440)EVB

4. USB設備：Sandisk SSD Plus

5. 示波器：DS0Z334A(33GHZ)

圖3為測量位置與測量結果。安裝了Retimer的系統可望在主機到設備之間對最多23dB的插入損耗進行補償(圖4)。Retimer簡化了PCB布線，可以在不犧牲平台性能的前提下，確保個人電腦主機板和USB/DisplayPort電纜實現高輸送量訊號傳輸。

圖3 USB主機訊號測試示例圖

圖4 安裝Retimer的系統對插入損耗進行補償

DisplayPort訊號改善方案

若要透過主動電纜和菊輪鍊實現多個Retimer之間的無縫互通，須具備功能完備的DisplayPort Retimer，支援鏈路訓練可調PHY中繼器(LTTPR)模式和帶AUX Snooper的透明模式。

USB-A/USB-C訊號改善方案

使用菊輪鍊連接多個Retimer可以在通用連接系統中實現多功能的USB-C互聯。USB-C菊輪鍊提高了擴展USB-C電纜的訊號完整性。USB 3.2附錄E可確保以菊輪鍊形式連接的多個Retimer之間的無縫互連，若要滿足此標準，須在USB 3路徑部署採用SRIS或BLR架構且能夠進行23dB損耗補償的Retimer。USB 3.2規範附錄E的E.1.2.1.2小節給出了Retimer連接模型的要求，該規範支援Pending_HP_Timer_timeout配置下的4-Retimer連接，適用於10-μs USB 3.2主機和設備。

4-Retimer連接指10-μs主機或設備與另一個10-μs主機或設備的連接。在這種情況下，最多可使用四個Retimer，圖5顯示了一個4-Retimer連接，其中包括一個10-μs主機和一個10-μs USB 3.1設備，它們之間透過一條主動電纜連線。而針對下一代10Gbps筆電與桌機的Retimer應可實現4-Retimer菊輪鍊連接功能，滿足最新的USB 3.2規範附錄E的要求，以滿足USB 3.2 CTS互通測試要求的前提下，對USB 3.1 Gen 2 10Gbps訊號高達23dB的通道損耗進行補償。

圖5 10-μs主機與10-μs設備間的連接

中繼器不僅用於尺寸較大的PCB電路板和較長的傳輸路徑，還可用於尺寸非常小的平台，比如智慧手機。理由如下：

1. CPU晶片組無法為各通道提供足夠的輸出驅動。

2. 部分通道會經過訊號損耗較大的PCB區域。

3. 天線附近的電磁干擾限制訊號的強度。

4. 與接頭相連的電纜會增加通道長度。

智慧型手機訊號改善方案

智慧手機會連接不同的外接顯示裝置，也會連接各種配件。如果不使用Retimer，智慧手機內部電路板的DisplayPort 1.4介面的損耗將為8到10dB，USB 3.2介面損耗將為10到12dB，這些損耗會導致智慧手機內部電路板性能下降，進而使DisplayPort 1.4資料傳輸率下降至5.4Gbps以下，使USB 3.2資料傳輸率下降至5Gbps以下。所以，應用處理器(AP)製造商通常建議將Retimer用於DisplayPort 1.4和USB 3.2的資料傳輸。

而針對下一代智慧手機設計的Retimer必須支援在各種長度的電纜上進行DisplayPort 1.4(8.1Gbps)和USB 3.1 Gen2(10Gbps)的高頻寬資料傳輸。智慧手機通常採用高速USB-C介面，而下一代應用處理器在Retimer的幫助下可在USB-C接頭上實現極高的資料傳輸率，使得智慧手機成為實現VR應用的理想選擇，因為連接頭戴式VR顯示器要求同時支援DisplayPort和USB 3傳輸，以通過細長電纜傳輸刷新頻率為90Hz、解析度為4K×2K的視訊訊號。

智慧手機連接到USB-C介面的監視器時通常使用DisplayPort替代模式，其有兩個資料通道，在60Hz刷新頻率下最高可達4K解析度。如果是連接USB-C配件，則通常為DisplayPort到HDMI連接，在60Hz刷新頻率下可實現4K解析度和USB 3的資料傳輸率。Retimer能夠在上述高資料傳輸率情況下確保資料完整，並保障主機到同步設備間的影像與資料傳輸。

電纜訊號改善方案

為外殼處的接頭部署中繼器或在接頭外殼內部署中繼器時，可以使用較細較長的電纜。主動電纜在接頭內的PCB上部署了中繼器。目前市場提供用於連接USB、DisplayPort、HDMI、PCI Express、SATA和SAS等介面的主動電纜(圖6)。

圖6 主動電纜接頭內的PCB上部署中繼器

針對長電纜情況，Retimer可以在長度為2公尺、5公尺甚至7公尺的主動電纜的兩端進行訊號復原，使得低成本電纜解決方案能夠滿足高速DisplayPort和USB 3.2訊號傳輸的性能和相容性方面的要求。

Retimer供應商須與主流CPU和AP提供商密切合作，努力確保其訊號改善產品滿足鏈路訓練要求，提供所需的相容性通道，並共同設計類比模型，以進一步改進設計，提高在高速介面使用Retimer的成功率。