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。
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·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)。
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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)。
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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。
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電纜訊號改善方案
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