Utilizzo dei redriver per estendere la gamma di cavi USB 3.0 ad alto throughput

Le ultime versioni di USB offrono velocità fino a 2,5 Gbyte/s, ma solo se host e periferiche sono molto vicini. Nelle applicazioni in cui l'USB viene utilizzato su lunghe distanze, i progettisti devono trovare un modo per compensare la degradazione del segnale per mantenere le velocità dati stabilite da USB.

Anche se possono applicare tecniche di equalizzazione, enfasi e guadagno c.c., grazie ai redriver USB, i progettisti possono riuscire meglio in questo compito e abbattere il time-to-market. Questi dispositivi integrati includono infatti tutta l'elettronica necessaria per venire a capo del problema di deterioramento del segnale.

Questo articolo descrive il funzionamento dei redriver, illustra alcuni dispositivi di esempio e come inserirli in una soluzione.

USB è flessibile, ma a un prezzo

Al momento di stabilire la specifica per l'USB, si era ipotizzato che questi collegamenti avrebbero interessato solo dispositivi distanti tra loro pochi metri, ad esempio un computer e un disco rigido esterno. La specifica USB 3.0 dichiara che, per mantenere l'integrità del segnale, il cavo non dovrebbe essere più lungo di 3 metri. Ma la tecnologia USB ha riscosso un tale successo che ora viene utilizzata anche per applicazioni che per motivi pratici devono utilizzare cavi di lunghezza maggiore. Uno degli esempi più comuni è quello di un server collegato ai display in un grande negozio.

Purtroppo, la combinazione di cavi più lunghi con i segnali ad alta frequenza tipici della specifica dell'USB ad alta velocità introduce problemi di integrità del segnale come la perdita di inserzione del canale, la diafonia, l'interferenza intersimbolica (ISI) e un conseguente abbassamento del throughput.

Il progettista di un sistema USB ha a disposizione diverse tecniche per superare il deterioramento del segnale. Può utilizzare ad esempio l'equalizzazione e l'enfasi per limitare l'effetto della perdita di inserzione e l'ISI del canale. Inoltre, l'aumento del guadagno c.c. aiuta a superare le perdite dovute alla diafonia.

Occorre però dire che la progettazione di circuiti di condizionamento del segnale aumenta la complessità del sistema USB e la sfida è resa più ardua dal fatto che la tecnologia USB utilizza coppie di segnali separate per la trasmissione e la ricezione, il che richiede un doppio circuito. È a questo punto che i redriver USB possono venire in aiuto.

Cause del deterioramento del segnale

I problemi di deterioramento del segnale che affliggono l'USB veloce non riguardano solo questa tecnologia. Tutti i sistemi che utilizzano collegamenti per comunicazioni ad alta velocità ne sono interessati. Per quanto riguarda l'USB, il problema non riguarda solo i cavi lunghi, ma dato che nei cavi corti il deterioramento del segnale è inferiore il problema è meno grave.

Nei sistemi di comunicazione ad alta velocità il deterioramento del segnale è dovuto principalmente a una combinazione di fattori: perdita di inserzione, diafonia e ISI.

La perdita di inserzione è il frutto dell'attenuazione della potenza del segnale causata dal cavo ed è proporzionale alla lunghezza del cavo stesso. La diafonia è l'accoppiamento capacitivo, induttivo o conduttivo di portanti di segnale adiacenti che deteriora l'integrità del segnale in entrambi. L'ISI si produce quando un simbolo (il segnale discreto che trasporta i dati e li replica in base alla frequenza della portante) interferisce con il simbolo precedente, causando un aumento del rumore e della distorsione. L'ISI è proporzionale alla frequenza della portante (perché il divario temporale tra i segnali diminuisce con frequenze più alte) e alla lunghezza del cavo (perché il rapporto segnale/rumore (SNR) diminuisce nei cavi più lunghi). Il rumore è la parte del segnale che non veicola informazioni utili.

I sistemi USB ad alta velocità includeranno anche una certa quantità di jitter deterministico e casuale - che chiameremo piccola deviazione dalla periodicità nominale del segnale - che può compromettere l'integrità del segnale. Maggiore è la frequenza di comunicazione del sistema, maggiore sarà l'impatto del jitter.

Come superare il deterioramento del segnale

In un sistema di comunicazione ad alta velocità è inevitabile che vi sia un certo deterioramento del segnalek, ma diventa un problema solo quando l'SNR diventa così scadente che il ricevitore non riesce a decodificare alcuni dei dati trasmessi. La velocità viene così compromessa e, in casi estremi, accade un errore di comunicazione.

Per migliorare il throughput nei sistemi di comunicazione ad alta velocità, i progettisti hanno sviluppato quattro tecniche che consentono di incrementare l'SNR (o implementare il "condizionamento del segnale"):

• L'enfasi/de-enfasi consiste nell'amplificare le frequenze trasmesse che hanno maggiori probabilità di essere influenzate dal rumore e quindi nel de-enfatizzarle sul ricevitore per ricostruire il segnale originale.
• L'equalizzazione si serve del filtraggio per assicurare che il segnale ricevuto corrisponda alle caratteristiche di frequenza del segnale trasmesso, mantenendo efficacemente una risposta in frequenza piatta lungo tutto il cavo.
• Il guadagno c.c. compensa l'attenuazione lineare per un cavo di una determinata lunghezza.
• Il controllo dell'oscillazione dell'uscita consente di configurare la tensione differenziale dell'USB per garantire che soddisfi i requisiti della specifica da 0,8 a 1,2 V.

Per ottimizzare la comunicazione per una particolare configurazione servono molti test. Infatti occorre determinare l'entità di equalizzazione, enfasi, guadagno c.c. e controllo dell'oscillazione dell'uscita richiesta per una serie di condizioni operative. Queste informazioni potrebbero essere poi utilizzate per alterare in modo adattivo ogni parametro durante il funzionamento al fine di mantenere il segnale ideale. Il condizionamento adattativo del segnale è però praticabile solo per i sistemi di comunicazione più critici.

Il condizionamento del segnale passivo, col quale è sufficiente un'unica impostazione per soddisfare tutte le condizioni operative, produce risultati discreti a un costo molto inferiore. Il rovescio della medaglia è che non sempre garantisce condizioni ottimali. I progettisti possono siddisfare le esigenze degli utenti prevedendo un cavo di una lunghezza specifica, già testato per l'uso con un dato progetto oppure specificando una lunghezza massima del cavo.

Il condizionamento del segnale è richiesto sia per l'host USB (microprocessore) verso il canale del redriver che per il redriver verso il canale periferico (tramite connettore e cavo). In genere, i due lati richiedono parametri di condizionamento del segnale diversi.

Prevedere l'uso del redriver in un progetto

I redriver USB sono un modo comodo e relativamente poco costoso per implementare il condizionamento del segnale trasparente (nessun effetto sul trasferimento dei dati) su un canale USB. Dispositivi come PI3EQX1001XUAEX di Diodes Incorporated, un redriver lineare USB 3.1 a 1 canale a 10 Gbps, riportano il segnale USB ad alta velocità alla condizione originale prima che venga ricevuto dal dispositivo finale (Figura 1).

Figura 1: I redriver USB come PI3EQX1001XUAEX di Diodes Incorporated sono un modo comodo per ripristinare l'integrità di segnale in cavi lunghi. (Immagine per gentile concessione di Diodes Incorporated)

Dato che i redriver consentono un ampio intervallo di parametri di configurazione, il chip può essere montato sia sulla scheda a circuiti stampati dell'USB host (il più vicino possibile al connettore), sia all'estremità del cavo, vicino al connettore del dispositivo periferico o finale (come illustrato nella Figura 1). Tuttavia, la maggior parte delle applicazioni utilizza il redriver all'estremità host del cavo USB.

Le tracce della scheda devono essere progettate per soddisfare le linee guida sulle best practice per i segnali ad alta velocità. Dovrebbero essere, ad esempio, coppie differenziali, a impedenza controllata e abbinata. Il routing dovrebbe evitare fori di vias e curve ad angolo stretto (almeno 135°). Le tracce dovrebbero essere riferite a un piano di massa intero, senza tagli e fessure per evitare discontinuità di impedenza (Figura 2).

Figura 2: Le tracce che collegano l'host USB al redriver e al connettore devono adottare le best practice di progettazione per segnali ad alta velocità. Ad esempio, per limitare le interferenze le curve dovrebbero essere mantenute a 135^o. (Immagine per gentile concessione di Texas Instruments)

Dopo aver assemblato la scheda e i suoi componenti, lo sviluppatore può configurare i parametri di condizionamento del segnale secondo le caratteristiche specifiche di un particolare canale.

Un esempio di prodotto oggi in commercio è il redriver USB 3.0 PTN36043BXY di NXP Semiconductors. Si tratta di un chip con un commutatore attivo compatto, a basso consumo, a due canali differenziali, da 2 a 1 con un redriver USB 3.0 integrato. Il commutatore può indirizzare due segnali differenziali verso una delle due posizioni ed è progettato per ridurre al minimo la diafonia (Figura 3).

Figura 3: Il redriver USB 3.0 di NXP Semiconductors integra enfasi, equalizzazione, guadagno c.c. e controllo dell'oscillazione dell'uscita. Dato che le caratteristiche del cavo variano a seconda della direzione, è richiesto un controllo separato per la linea di trasmissione e per quella del ricevitore. Questo redriver è destinato all'uso con connettori USB Type-C, per cui è dotato di due doppini intrecciati di trasmissione e di ricezione sul lato del connettore. (Immagine per gentile concessione di NXP Semiconductors)

Il redriver USB 3.0 NXP consente allo sviluppatore di regolare enfasi/de-enfasi, equalizzazione e oscillazione dell'uscita per ogni canale (da host USB a redriver e da redriver alla periferica). Inoltre, il dispositivo consente la compensazione dell'attenuazione del cavo aumentando il guadagno c.c.

Ogni canale è collegato a due pin di controllo, consentendo al progettista di selezionare i parametri di condizionamento del segnale per una determinata configurazione. Lo sviluppatore può scegliere tra nove combinazioni di condizionamento del segnale per le linee TX/RX su ciascun canale (Tabella).

Tabella: Quando utilizza il redriver NXP lo sviluppatore può scegliere tra nove parametri di condizionamento del segnale per le linee TX/RX sul canale USB host-redriver. Per il canale redriver-periferiche sono disponibili opzioni simili. (Tabella per gentile concessione di NXP Semiconductors)

Valutazione dei progetti di redriver

Per scegliere al meglio enfasi, equalizzazione, guadagno c.c. e controllo dell'oscillazione dell'uscita occorre valutare un prototipo in diverse condizioni operative. La disponibilità di kit di valutazione agevola il compito dello sviluppatore.

Ad esempio, Texas Instruments offre il modulo di valutazione (EVM) del redriver USB 3.0 USB-REDRIVER-EVM (Figura 4). Questo modulo si basa sul redriver a canale singolo a 3,3 V USB 3.0 TUSB501DRFR della società.

Figura 4: Il modulo di valutazione del redriver USB 3.0 di TI consente agli sviluppatori di sperimentare diverse configurazioni per ottimizzare l'integrità di segnale del proprio progetto. (Immagine per gentile concessione di Texas Instruments)

Quando il sistema USB è attivo, TUSB501 esegue periodicamente il rilevamento del ricevitore sulla coppia TX. Se rileva un ricevitore USB SuperSpeed, la terminazione RX si abilita e TUSB501 è pronto per il reindirizzamento.

Il chip è dotato di un equalizzazione del ricevitore con tre impostazioni del guadagno (3, 6 e 9 dB) controllate dal pin "EQ". Il chip supporta anche la de-enfasi e l'oscillazione dell'uscita sui pin "DE" e "OS". I valori di de-enfasi dipendono dalla selezione dell'oscillazione dell'uscita. Quando questa oscillazione è impostata su "low", la de-enfasi può essere impostata tra 0 e -6,2 dB. Quando è impostata su "high", EM supporta una de-enfasi tra -2,6 e -8,3 dB.

EVM è un dongle USB che alloggia due redriver TUSB501 (più un terzo redriver USB 2.0). Il dongle è alimentato dal pin V_BUS dell'host USB e passa la tensione di alimentazione alla porta a valle per alimentare un dispositivo periferico.

Uno dei redriver TUSB501 su EM alimenta le linee TX host mentre l'altro si occupa delle linee RX. I valori predefiniti di equalizzazione e de-enfasi sono configurati sui valori tipici della trasmissione e della ricezione su un sistema USB 3.0 utilizzando un cavo tra i 3 e i 5 m di lunghezza e una traccia sulla scheda tra 20 e 25 cm. Il guadagno c.c. viene implementato selezionato un resistore appropriato.

EVM consente allo sviluppatore di testare in che modo le modifiche ai parametri di configurazione dei redriver influenzano l'integrità del segnale delle coppie TX e RX di un sistema USB ad alta velocità. EVM funge anche da progetto di riferimento che può essere modificato per qualsiasi applicazione desiderata. È provvisto di spina USB Type-A e prese.

Collaudare un sistema collegando un redriver USB

Quando si collauda un sistema fisico, è importante ricordare che il redriver modifica il segnale USB, contribuendo al jitter del sistema. Questo jitter deve essere misurato per valutarne l'impatto sulla configurazione del condizionamento del segnale.

TI consiglia un sistema di collaudo con un cavo di 3 metri e una scheda a circuiti stampati USB host con tracce di 60 cm e con il redriver a 10 cm dal connettore. All'estremità del cavo, il dispositivo periferico è rappresentato da una scheda a circuiti stampati con tracce tra 2,54 cm e 15,24 cm (Figura 5).

Figura 5: Configurazione di collaudo del jitter per USB ad alta velocità utilizzando i redriver TUSB501. Il set-up replica un'applicazione come un PC collegato a un'unità flash periferica utilizzando un cavo di 3 m. (Immagine per gentile concessione di Texas Instruments)

Un progetto ideale avrebbe un jitter zero, che assicurerebbe l'applicazione della compensazione, ad esempio della de-enfasi, subito dopo la transizione da alta a bassa/da bassa ad alta. Non essendo questa un'opzione praticabile, TI consiglia ai progettisti di limitare il jitter in modo da applicazione la piena compensazione entro 200 ps dalla transizione (Figura 6).

Figura 6: Il jitter in un sistema USB ad alta velocità che utilizza dei redriver dovrebbe essere limitato in modo da applicazione la piena compensazione entro 200 ps dalla transizione del segnale. (Immagine per gentile concessione di Texas Instruments)

Conclusione

All'origine, USB 3.0 era destinato a cavi con una lunghezza massima di 2 m, ma oggi molte applicazioni usano cavi più lunghi. Data la segnalazione ad alta frequenza della tecnologia, l'introduzione di cavi più lunghi di 3 m causa problemi di integrità di segnale che possono compromettere il throughput. Una soluzione relativamente semplice viene offerta dai compatti ed economici redriver USB 3.0 che permettono allo sviluppatore di aggiungere equalizzazione, enfasi e guadagno c.c. per incrementare il segnale USB ad alta velocità.

Come detto sopra, i fornitori di chip ora offrono EVM preconfigurati basati su redriver che semplifican il collaudo del dispositivo di destinazione nell'applicazione proposta. Le schede tecniche includono informazioni sul layout dei componenti e sulla scheda a circuiti stampati, che consentono di utilizzare l'EVM come progetto di riferimento per il prodotto finale.