Как стать автором
Обновить

Бюджет потерь USB 3.2

Время на прочтение17 мин
Количество просмотров29K
Измерительная оснастка для кабелей USB Type-C (применяется с двухпортовым векторным анализатором)
Измерительная оснастка для кабелей USB Type-C (применяется с двухпортовым векторным анализатором)

Откуда столько названий стандартов USB? Какие допустимые потери сигнала в кабеле по спецификации, и почему почти никто ей не следует? Как измерить потери в дифференциальной линии и не продать почку?

Статья будет наиболее полезна для hardware-инженеров, разрабатывающих системы с высокоскоростными интерфейсами, но рассчитана на базовый уровень знаний в электронике. Узнаем о истории стандарта, понятии потерь, способах оценки и измерений.

Разные сорта USB

В 1998 году была выпущена первая спецификация USB 1.1, получившая широкое распространение. В ней описывались режимы Low-Speed (1.5 Мбит/с) и Full-Speed (12 Мбит/с). Стандартом поддерживались кабели длиной до пяти метров, но фактически без каких-либо ухищрений удавалось получить стабильный линк и на 50 метрах. Отсутствие высокочастотных компонентов в спектре сигнала обеспечивало низкие требования к свойствам линии передачи.

USB 2.0, родившийся в 2000 году, представил режим High-Speed со скоростью 480 Мбит/с. Частота Найквиста для него равна 240 МГц, что всё ещё достаточно мало, чтобы причинять серьёзные неприятности. Удлинители (запрещённые спецификацией в разделе 6.4.4 Prohibited Cable Assemblies) достигали десятиметровой длины и отлично себя чувствовали, а на стабы до сантиметра длиной никто не обращал внимания.

USB 3.0 (2008 год) – первая версия USB SuperSpeed, поддерживающая скорость 5 Гбит/с и кодирование 8b/10b. После выхода спецификации USB 3.1 стандарт USB 3.0 переименовали в USB 3.1 Gen 1 (2013 год), а затем и в USB 3.2 Gen 1 (2017 год). Таким образом, актуальное название стандарта USB, описывающего передачу данных со скоростью до 5 Гбит/с по одному лейну (один лейн – две дифференциальные пары, SSRX и SSTX) – USB 3.2 Gen 1, или SuperSpeed USB 5Gbps.

Cпецификация USB 3.1 впервые описывает передачу данных со скоростью 10 Гбит/с по двум дифференциальным парам в стандарте USB 3.1 Gen 2 (SuperSpeed+ или SuperSpeedPlus). Также для уменьшения оверхеда в USB 3.1 Gen 2 изменили схему кодирования на 128b/132b (вместо 8b/10b). Затем этот стандарт был переименован в USB 3.2 Gen 2.

Главным новшеством спецификации USB 3.2 является возможность использования четырех дифференциальных пар в одном линке (Dual-Lane Operation) для USB Type-C.
Всего спецификация USB 3.2 описывает четыре возможных режима:

  • SuperSpeed USB 5Gbps (USB 3.2 Gen 1 или Gen 1x1) - эквивалент USB 3.0 и USB 3.1 Gen 1;

  • SuperSpeed+ USB 10Gbps (USB 3.2 Gen 2 или Gen 2x1) - эквивалент USB 3.1 Gen 2;

  • SuperSpeed+ USB 20Gbps (USB 3.2 Gen 2x2 или Gen 2x2) - эквивалент двух USB 3.1 Gen 2, объединённых в один логический линк;

  • SuperSpeed+ USB 3.2 Gen 1x2, которому не досталось красивого названия - эквивалент двух USB 3.0 (USB 3.1 Gen 1), объединённых в один логический линк. Суммарная скорость 10 Гбит/с. Этот стандарт относится к SuperSpeedPlus, хотя и построен на основе SuperSpeed.

Структура USB SuperSpeedPlus. Gen GxN: поколение G, используется N лейнов в одном логическом линке
Структура USB SuperSpeedPlus. Gen GxN: поколение G, используется N лейнов в одном логическом линке

Впрочем, далеко не все устройства и далеко не все хосты поддерживают каждый из этих режимов.

За вычетом оверхеда пропускная способность (raw throughput) будет равна:

  • USB 3.2 Gen 1x1 (5Gbit/s, 8b/10b) - 4000 Мбит/с

  • USB 3.2 Gen 1x2 (10Gbit/s, 8b/10b) - 8000 Мбит/с

  • USB 3.2 Gen 2x1 (10Gbit/s, 128b/132b) ~9697 Мбит/с

  • USB 3.2 Gen 2x2 (20Gbit/s, 128b/132b) ~19394 Мбит/с

Скорость USB 3.2 Gen 1x2 и USB 3.2 Gen 2x1 одинакова, но их полезная пропускная способность отличается в ~1.2 раза из-за разных схем кодирования.

USB4 (2019 год) предлагает максимальную скорость до 40 Гбит/с (Gen 3x2) по четырём диффпарам. Нужны специальные кабели, так как базовая скорость одного лейна возрастает до 20 Гбит/с (частота Найквиста 10 ГГц). Электрический интерфейс тот же, USB Type-C.

USB4 Version 2 (анонсирован в 2022 году) будет работать на 80 Гбит/с (40 Гбит/с на одном лейне, частота Найквиста 20 ГГц). Всё так же через USB Type-C.

Кратко об S-параметрах

Инженерам нравится, когда устройства можно описывать универсальным образом. Поэтому в электронике широкое распространение получила волновая матрица рассеяния (scattering matrix), элементы которой называются S-параметрами. Эта матрица позволяет описать любое устройство с точки зрения падающих и отражённых волн, которые распространяются через порты этого устройства. Элементы матрицы - коэффициенты отношения мощности, полученной на порту измерения, к мощности, поданной на порт возбуждения. Чаще всего их измеряют в децибелах.

В названиях S-параметров первая цифра обозначает порт, на котором сигнал измеряют, вторая - порт, на который подают сигнал возбуждения. Для нас наиболее интересны параметры S11 и S21.
S11 показывает, какая часть мощности отражается от порта 1 (~"reflection loss").
S21 показывает, какая часть мощности передается от порта 1 к порту 2 (~"insertion loss").

Дифференциальный канал - устройство с четырьмя портами, но его можно описывать как двухполюсник. S-параметры становятся смешанными (Mixed-Mode S-parameters), и учитывают помимо номера порта ещё и вид сигнала: дифференциальный либо синфазный. В этом случае S21 для полезного сигнала называется S21dd (дифференциальный сигнал на входе, дифференциальный на выходе). Для простоты дальше будет использоваться просто "S21" (подразумевая S21dd).

Поскольку в линии существуют потери, S21 всегда меньше нуля в децибелах (меньше единицы в абсолютных величинах) для пассивной линии передачи. Например, S21 = -3 дБ означает, что половину мощности мы потеряли.
Знак "минус" часто опускают (хотя он подразумевается), и говорят "потери равны 3 дБ".

Причины потерь в кабеле и на печатной плате

Потери в кабеле, на хосте и девайсе вызваны следующими эффектами:

Коэффициент отражения на участках с неоднородным импедансом зависит исключительно от градиента импеданса, поэтому важно поддерживать волновое сопротивление постоянным (а если изменения импеданса неизбежны, то минимизировать их количество, и располагать как можно ближе к концам линии).

Коэффициент отражения от стабов определяется длиной стаба (чаще всего подразумевается нетерминированное ответвление, "open stub") и частотой сигнала.

Диэлектрические потери по определению линейно зависят от частоты.

Потери в проводнике почти линейно зависят от частоты из-за дополнительных эффектов:

  • скин-эффект: сокращение эффективной площади сечения проводника при протекании высокочастотного тока (например, на 1 ГГц толщина скин-слоя равна 2.1 мкм),

  • влияние шероховатости меди: увеличение эффективной длины проводника и сокращение эффективной площади сечения при протекании высокочастотного тока за счет скин-эффекта (подробнее см. Intel, Polar, IPC и Isola).

Чтобы снизить диэлектрические потери, используют специальные low-loss материалы с маленьким тангенсом угла диэлектрических потерь (Rogers, Megtron и подобные).
Чтобы снизить джоулевы потери - увеличивают ширину дорожек и применяют специальную гладкую медь (VLP, very low profile, и HVLP, hyper very low profile).

Поскольку суммарные потери на печатной плате почти линейно зависят как от длины трассы, так и от частоты сигнала, широко используется величина удельных потерь "дБ/дюйм/ГГц", определяемая исключительно свойствами материалов печатной платы и геометрическим сечением трассы.

Анализ спецификаций

Документ "USB 3.1 Channel Loss Budgets" (2015) подробно описывает допустимые потери на скоростях 5 и 10 Гбит/с. Бюджет потерь эволюционировал, как и названия стандартов. Изначально, для USB 3.0 (2008 год), суммарный бюджет составлял 20 дБ, из которых 10 дБ отводилось на потери на хосте, 7.5 дБ на кабель и 2.5 дБ на девайс.

Исходный бюджет SuperSpeed Gen 1, кабель USB-A - USB-B (2008)
Исходный бюджет SuperSpeed Gen 1, кабель USB-A - USB-B (2008)

В 2012 году стало понятно, что кабели используют чаще всего короткие, а 2.5 дБ на девайс не хватает: трассы внутри телефонов и планшетов могут быть довольно длинными. Поэтому для клиентов с Micro-USB 3.0 Type B распределение бюджета изменилось: на хост отвели 10 дБ, как и было (для поддержки легаси), на девайс выделили 6.5 дБ, а на кабель осталось всего лишь 3.5 дБ, что, по факту, ограничило его длину одним метром.

Бюджет SuperSpeed Gen 1, кабель USB-A - USB-microB после изменений 2012 года
Бюджет SuperSpeed Gen 1, кабель USB-A - USB-microB после изменений 2012 года

В 2014 году появился USB Type-C, который помимо симметричности разъема реализовал ещё и симметричность архитектуры (хост и девайс теперь могут меняться ролями). Помимо USB в кабеле Type-C могут быть и другие сигналы (например, DisplayPort), что ещё немного усложняет задачу. Для подключения монитора кабеля длиной 1 метр маловато, поэтому пришлось думать про поддержку как минимум двухметровых. Вишенкой на торте стал зоопарк разъемов, в котором доминировали легаси-кабели USB-A - USB-C, и стандартные USB-C - USB-C.

Для SuperSpeed (5 Гбит/с) на 2.5 ГГц общий бюджет равен 20 дБ.
Для конфигурации с кабелем USB-C - USB-C выделено по 6.5 дБ на хост и девайс, 7 дБ на кабель.

Бюджет SuperSpeed Gen 1 для конфигурации USB-C - USB-C (2014)
Бюджет SuperSpeed Gen 1 для конфигурации USB-C - USB-C (2014)

Для легаси-кабеля USB-A - USB-C на хост отведено 10 дБ (для обратной совместимости), поэтому на кабель осталось только 3.5 дБ.

Бюджет SuperSpeed Gen 1 для конфигурации USB-A - USB-C (2014)
Бюджет SuperSpeed Gen 1 для конфигурации USB-A - USB-C (2014)

Для SuperSpeedPlus (10 Гбит/с) на 5 ГГц общий бюджет равен 23 дБ.
При этом и суммарный бюджет, и его распределение остаются фиксированными для всех конфигураций разъемов: 8.5 дБ на хост и девайс, 6 дБ на кабель.

Бюджет SuperSpeed+ (Gen 2) для всех конфигураций (2014)
Бюджет SuperSpeed+ (Gen 2) для всех конфигураций (2014)

Сводная таблица допустимых потерь приводится в Universal Serial Bus Type-C Connectors and Cable Assemblies Compliance Document (стр. 17):

Бюджет потерь SuperSpeed/SuperSpeedPlus в кабеле USB-C - USB-C (2021)
Бюджет потерь SuperSpeed/SuperSpeedPlus в кабеле USB-C - USB-C (2021)

Эту таблицу нужно понимать так: график потерь в кабеле в любой точке должен быть выше ломаной, образованной контрольными точками из таблицы. Почему-то нужного графика нет в "Connectors and Cable Assemblies Compliance", зато он есть в "USB Type-C® Cable and Connector Specification" для USB 3.2 Gen 2 (10 Гбит/с):

Recommended Differential Insertion Loss Requirement (USB 3.2 Gen 2 and USB4 Gen 2, 10 Gbit/s), 2021
Recommended Differential Insertion Loss Requirement (USB 3.2 Gen 2 and USB4 Gen 2, 10 Gbit/s), 2021

Для USB4 ситуация становится сложнее. Вводятся новые сущности ("Router", "Router Assembly"), ощутимо меняется архитектура. В этой статье я затрону только изменения, касающиеся бюджета потерь. По презентации USB4™ Cable Electricals and System Design требования для скоростей Gen 2 (10 Гбит/с/lane) ожидаемо остаются старыми, как для USB 3.2 Gen 2. В этой таблице в скобках указана скорость на одном лейне (для полной конфигурации скорость вдвое выше).

Бюджет системы USB4 на скоростях Gen2 и Gen3. Informative.
Бюджет системы USB4 на скоростях Gen2 и Gen3. Informative.

Примечательно, что USB4 Gen 2 при одинаковой частоте Найквиста с USB 3.2 Gen 2 имеет вдвое больший бюджет на потери в кабеле. 12 дБ на 5 ГГц позволяют использовать двухметровые кабели. Общий бюджет остался таким же, просто урезали хост и девайс.

USB4 Gen 3 (с частотой Найквиста 10 ГГц) имеет суммарный бюджет 23 дБ на 10 ГГц, распределённый поровну между хостом, девайсом и кабелем (по ~7.5 дБ).

Также USB4 предъявляет серьезные требования к повторяемости этих характеристик (отклонения при массовом производстве, HVM variation). Спецификация определяет не среднее значение в выборке, а границу worst-case, поэтому с учетом разброса требуется значительный запас.

В таблице ниже приведено сравнение требований по максимальным потерям в кабеле для USB 3.2 Gen 2 и USB4 Gen 3 в зависимости от частоты: значительная разница для 10 ГГц и выше.

F, ГГц

USB 3.2 Gen 2 (Fн=5 ГГц), дБ

USB4 Gen 3 (Fн=10 ГГц), дБ

2.5

-4

-4.2

5

-6

-6

10

-11

-7.5

15



-11

Предельная длина кабеля USB 3.2 Gen 1

Для USB 3.2 Gen 1 (SuperSpeed, 5 Гбит/с) бюджет потерь в кабеле равен 7 дБ на 2.5 ГГц. Чтобы связать это число с реальностью, воспользуемся справочными таблицами и симуляторами.

Спецификация USB Type-C® Cable and Connector Specification Release 2.1 предоставляет справочные таблицы для потерь в витой паре и коаксиальных проводах.

Ориентировочные потери в экранированной витой паре (USB Type-C specification)
Ориентировочные потери в экранированной витой паре (USB Type-C specification)
Ориентировочные потери в коаксиальных кабелях (USB Type-C specification)
Ориентировочные потери в коаксиальных кабелях (USB Type-C specification)

Помимо кабелей сигнал также ослабляется в разъёмах:

USB Type-C Mated Connector Recommended Signal Integrity Characteristics
USB Type-C Mated Connector Recommended Signal Integrity Characteristics

Таким образом, для USB Type-C кабеля длиной 1 метр (витая пара 32 AWG) расчетные потери на частоте 2.5 ГГц составят 4.1 дБ: один метр кабеля (1 * 2.9 дБ), плюс пара разъёмов (2 * 0.6 дБ).
Если взять кабель потоньше (34 AWG), получится 1 * 3.7 + 2 * 0.6 = 4.9 дБ.

Предельная теоретическая длина кабеля для USB 3.2 Gen 1 по значениям из этой таблицы составит 2 метра для сечения 32 AWG и 1.5 метра для сечения 34 AWG (при бюджете 7 дБ).

Предельная длина трассы USB 3.2 Gen 1

Для USB 3.2 Gen 1 (SuperSpeed, 5 Гбит/с) бюджет потерь хоста и девайса равен 6.5 дБ на 2.5 ГГц. Оценим максимальную длину трассы на печатной плате из standard-loss материалов (FR4, IS400).
Для микрострип-диффпары (H=0.12 mm, E=4, W=0.23mm, S=0.3 mm) и standard-loss материала (tan=0.02) удельные потери (дБ/дюйм/ГГц) составят:

  • 0.088 дБ/дюйм/ГГц - потери в проводнике с учетом шероховатости (без - 0.044 дБ/дюйм/ГГц),

  • 0.076 дБ/дюйм/ГГц - потери в диэлектрике,

  • 0.164 дБ/дюйм/ГГц - суммарное ослабление за счет потерь в диэлектрике и проводнике.

Линии SuperSpeed должны быть AC-coupled. Вносимые конденсаторами потери очень малы (менее 0.1 дБ по данным SimSurfing), но это верно только при отсутствии отражений (постоянном импедансе всей структуры). Чтобы сохранять импеданс постоянным, нужно вырезать участки опорного полигона под площадками конденсаторов. Для грубой оценки можно заложить 0.5 дБ на потери, связанные с отражением от структуры ac-coupling.

Структура AC Coupling с вырезом в опорном полигоне. Источник: DesignCon
Структура AC Coupling с вырезом в опорном полигоне. Источник: DesignCon

Переходные отверстия (при идеальном тюнинге, т. е. при сохранении постоянного дифференциального импеданса и без стаба) также вносят дополнительные потери: при высоте 1.5 мм и диаметре 0.3 мм пара переходных отверстий ослабляет сигнал примерно на 0.1 дБ. Если в идеальный тюнинг веры нет, можно взять 1 дБ как грубую оценку с учетом потерь на отражение.
Не забывайте добавлять return via рядом с каждой сменой слоя, пример на рисунке ниже:

Структура переходных отверстий для дифференциального сигнала на печатной плате. Источник: YADRO
Структура переходных отверстий для дифференциального сигнала на печатной плате. Источник: YADRO

Дополнительные потери вносят синфазные фильтры (CMC, common mode choke) и элементы защиты от электростатического разряда (TVS):

  • синфазный фильтр WE-CNSW HF 7442335900: 1.7 дБ на 2.5 ГГц

  • TVS-сборка WE-TVS 824012823: 0.5 дБ на 2.5 ГГц

Таким образом, максимальная расчётная длина трассы (microstrip) составит:

  • 11 дюймов (28 см) при одной смене слоя, с учетом AC-coupling и TVS,

  • 8.5 дюймов (22 см) при двух сменах слоя, с учетом AC-coupling и TVS,

  • 6.8 дюймов (17 см) при одной смене слоя, с учетом AC-coupling, TVS и CMC,

  • 4.4 дюйма (11 см) при двух сменах слоя, с учетом AC-coupling, TVS и CMC.

Для stripline потери будут чуть выше (ориентировочно 0.2 дБ/дюйм/ГГц), также некоторый вклад внесут отражения от неизбежных стабов переходных отверстий. Расчётный предел длины:

  • 7 дюймов (18 см) при двух сменах слоя, с учетом AC-coupling и TVS,

  • 3.6 дюйма (9 см) при двух сменах слоя, с учетом AC-coupling, TVS и CMC.

Небольшую плату с использованием USB 3.2 Gen 1 можно сделать на обычном FR4 и уложиться в суммарный бюджет потерь с хорошим запасом. Для USB 3.2 Gen 2 желательно использовать материалы с более низкими потерями, но короткие трассы тоже будут работать на FR4.

Если устройство большое и трассы длинные, нужно использовать материалы с низкими потерями, а также тщательно оптимизировать каждую опасную структуру (переходные отверстия, конденсаторы ac-coupling, фанаут чипа, фанаут разъема) для минимизации отражений.

Измерение потерь в кабеле

Наиболее прямолинейный способ измерения потерь в дифференциальном кабеле - четырехпортовый векторный анализатор, но такая игрушка не всегда есть под рукой.
Стоимость прибора R&S ZVR (полоса до 4 ГГц) на вторичном рынке - 6-7 тысяч долларов, стоимость крутого VNA+TDR прибора LeCroy WavePulser 40iX - около 75 тысяч долларов.

Для оценки потерь в кабеле в диапазоне до 4 ГГц можно с успехом применить недорогие векторные анализаторы, например, NanoVNA (4 ГГц, $269) или VNA6000 (6 ГГц, $789). Они двухпортовые, поэтому понадобятся широкополосные балуны - специальные устройства, преобразующие single-ended сигнал в дифференциальный. У Mini-Circuits есть трансформатор TCM2-63WX+ с заявленным диапазоном 30-6000 МГц, который стоит меньше $9 и вполне подойдёт для этой задачи.

Потери, вносимые одним трансформатором TCM2-63WX+ (даташит)
Потери, вносимые одним трансформатором TCM2-63WX+ (даташит)

Импеданс порта VNA равен 50 Ом, дифференциальный импеданс после балуна 1:2 станет равным 100 Ом, а все значения в спецификации USB нормированы на 85 Ом. Чтобы исправить эту ситуацию, нужно либо вводить дополнительные цепи согласования импеданса (что малореально, так как стандартных компонентов согласования 100 Ом / 85 Ом не существует), либо пересчитывать итоговые S-параметры. Есть замечательная статья c DesignCon 2009 "Characterizing Non-Standard Impedance Channels with 50 Ohm Instruments", в которой описаны различные варианты измерений образцов с нестандартным импедансом. Оценить величину ошибки, возникающей из-за разницы импедансов (85 Ом / 100 Ом) можно по графикам результатов измерения кабеля с импедансом 85 Ом в системе 100 Ом:

Слева - "правильный" S21 после пересчёта, справа - "сырой" S21, измеренный в системе 100 Ом
Слева - "правильный" S21 после пересчёта, справа - "сырой" S21, измеренный в системе 100 Ом
Слева - "правильный" S11 после пересчёта, справа - "сырой" S11, измеренный в системе 100 Ом
Слева - "правильный" S11 после пересчёта, справа - "сырой" S11, измеренный в системе 100 Ом

Как видно из графиков, при измерении кабеля с импедансом 85 Ом в системе 100 Ом ошибка для insertion loss крайне мала. Reflection loss изменяется сильнее, но тоже в пределах разумного. Сильные периодические колебания S11 на этих графиках обусловлены отражением сигнала от неоднородностей импеданса.

Для подключения USB-кабелей я разработал и изготовил небольшую оснастку, включающую в себя USB-разъём с трансформаторами и SMA-портами, а также сквозной порт калибровки, позволяющий учесть потери на балунах. Поскольку меня не интересуют частоты выше 6 ГГц, в качестве материала платы я выбрал обычный FR4. Для удобства трассировки с необходимым импедансом использован четырехслойный стек, высота диэлектрика 0.12 мм.

Измерительная оснастка с балунами TCM2-63WX+
Измерительная оснастка с балунами TCM2-63WX+
Структура сквозной калибровки - два балуна последовательно
Структура сквозной калибровки - два балуна последовательно

В качестве измерительного прибора используется VNA6000 с заявленной полосой 6 ГГц, подключаемый к оснасткам с помощью гибких кабелей (0.3 м).

Сначала векторный анализатор калибруется по методу short/open/load, причём калибровочные стандарты подключаются к концу гибкого кабеля порта 1. Затем через проходной SMA-адаптер соединяются концы гибких кабелей портов 1 и 2, и выполняется калибровка through. После этого можно измерить S21 для калибровочной структуры с двумя балунами на оснастке (красная линия):

Измеренные S21 (красный) и S11 (синий) для калибровочной структуры с двумя балунами. S-параметры по оси Y в децибелах, частота по оси X в МГц.
Измеренные S21 (красный) и S11 (синий) для калибровочной структуры с двумя балунами. S-параметры по оси Y в децибелах, частота по оси X в МГц.

До 4 ГГц потери составляют около -3 дБ и примерно постоянны, дальше быстро растут. Небольшие колебания в диапазоне 600...3000 МГц связаны с особенностями калибровки и механизма измерения в NanoVNA, не самая удачная калибровка и настройки sweep (сигнала возбуждения).
По графику S21 делаем вывод, что измерения в этой оснастке возможны до 4 ГГц.

Для удобства дальнейших измерений можно выполнить through-калибровку через структуру с балунами, что позволит учитывать потери в них (и не вычитать вручную):

Применена through-калибровка для учета потерь в балунах и печатной плате, S21 = 0 дБ.
Применена through-калибровка для учета потерь в балунах и печатной плате, S21 = 0 дБ.

Теперь можно подключить ещё одну плату оснастки ко второму порту векторного анализатора, и провести измерения на реальных кабелях.

Кабель длиной 1 метр, USB 3.2 Gen 2, параметры линии SuperSpeed+
Кабель длиной 1 метр, USB 3.2 Gen 2, параметры линии SuperSpeed+

Первый образец - кабель USB Type-C длиной 1 метр, заявленный как USB 3.2 Gen 2.
Вносимые потери на линии SuperSpeed+ составляют около -7 дБ на 2.5 ГГц, и (экстраполяция) около -9 дБ на 5 ГГц, что выходит за рекомендованные спецификацией -4 и -6 дБ соответственно. Впрочем, в большинстве случаев этот кабель будет успешно работать на Gen 2.

Кабель длиной 3 метра, USB 3.2 Gen 1, параметры линии SuperSpeed
Кабель длиной 3 метра, USB 3.2 Gen 1, параметры линии SuperSpeed

Второй образец - кабель USB Type-C длиной 3 метра, заявленный как USB 3.2 Gen 1. Вносимые потери на линии SuperSpeed составляют около -12 дБ на 2.5 ГГц и (экстраполяция) -18 дБ на 5 ГГц. Это значительно больше, чем рекомендованные -7 дБ для Gen 1, тем не менее, во многих системах и этот кабель будет работать (но не обязан). Фактический результат будет зависеть от суммы всех потерь (включая хост и устройство), а также характеристик трансиверов хоста и устройства.

Посмотрим также на линии HighSpeed (USB 2.0) для наших образцов.

Кабель длиной 1 метр, USB 3.2 Gen 2, параметры линии HighSpeed (USB2.0)
Кабель длиной 1 метр, USB 3.2 Gen 2, параметры линии HighSpeed (USB2.0)

Для метрового кабеля потери в линиях HighSpeed на 200 МГц составляют около -2.5 дБ, и быстро растут, начиная с частоты ~1 ГГц. Это значит, что внутри кабеля линии HS и SS выполнены по-разному (экономия!).

Кабель длиной 3 метра, USB 3.2 Gen 1, параметры линии HighSpeed (USB2.0)
Кабель длиной 3 метра, USB 3.2 Gen 1, параметры линии HighSpeed (USB2.0)

Для трёхметрового кабеля потери в линиях HighSpeed на 200 МГц равны -4 дБ, и быстро растут, начиная с частоты ~800 МГц.

S21 - это ещё не всё

Величина вносимых потерь (insertion loss, S21) - важнейший параметр при оценке работоспособности линка, но не единственный. Документ "Universal Serial Bus Type-C Connectors and Cable Assemblies Compliance Document" (2021) содержит 86 страниц, и, помимо Insertion Loss Fit at Nyquist Frequencies (S21), накладывает ограничения также на:

  • Integrated Multi-Reflection (IMR),

  • Integrated Crosstalk between SuperSpeed Pairs (INEXT and IFEXT),

  • Integrated Crosstalk between SuperSpeed Pairs and D+/D-,

  • Integrated Return Loss (IRL),

  • Differential-to-Common-Mode Conversion (SCD12/SCD21),

  • COM Requirement (Channel Operation Margin),

  • и десяток других параметров.

Магические "integrated" величины вычисляются на основе полных S-параметров (есть инструменты USB Type-C compliance).

Обычно, впрочем, именно бюджет потерь S21 является наибольшей головной болью разработчика.

Системы с усилителями (redriver)

Многие современные материнские платы используют редрайверы около портов USB Type-C. Эти усилители позволяют увеличить бюджет на ~10 дБ на 2.5 ГГц и до ~15 дБ на 5 ГГц. Также существуют комбинированные микросхемы активных коммутаторов для USB Type-C со встроенными усилителями.

С помощью редрайверов компенсируются частотно-зависимые потери в печатной плате, а также увеличивается общий бюджет линка. Так, при подключении компактного USB 3.0 устройства кабелем USB Type-C к порту ноутбука Lenovo Thinkpad P15 Gen 2, линк остаётся работоспособным при потерях в кабеле аж до 20 дБ (при бюджете спецификации в 7 дБ на кабель).

Заключение

Словарик версий USB:

  • USB ? Gen GxN - сигнал USB ? поколения G, использующий N лейнов в одном линке,

  • USB 3.2 Gen 1 - сигнал USB 3 со скоростью 5 Гбит/с на один лейн
    (= USB 3.0, USB 3.1 Gen 1),

  • USB 3.2 Gen 2 - сигнал USB 3 со скоростью 10 Гбит/с на один лейн (= USB 3.1 Gen 2),

  • USB4 Gen 2 - сигнал USB4 со скоростью 10 Гбит/с на один лейн,

  • USB4 Gen 3 - сигнал USB4 со скоростью 20 Гбит/с на один лейн,

  • USB4 Version 2 - сигнал USB4 со скоростью 40 Гбит/с на один лейн.

Бюджеты потерь (S21) в системах USB Type-C по спецификации:

  • USB 3.2 Gen 1 (5 Гбит/с, 2.5 ГГц): 20 дБ суммарно, из них 7 дБ на кабель,

  • USB 3.2 Gen 2 (10 Гбит/с, 5 ГГц): 23 дБ суммарно, из них 6 дБ на кабель,

  • USB4 Gen 2 (10 Гбит/с, 5 ГГц): 23 дБ суммарно, из них 12 дБ на кабель,

  • USB4 Gen 3 (20 Гбит/с, 10 ГГц): 23 дБ суммарно, из них 7.5 дБ на кабель.

Для того, чтобы конкретная система (хост + кабель + девайс) работала, необходимо, чтобы сумма потерь (с учетом редрайверов, если есть) на частоте Найквиста была меньше бюджета линка по спецификации USB. При этом, например, кабель может занимать 12 дБ, хост 3 дБ и девайс 3 дБ. Поскольку потери в кабелях и разъёмах не постоянны (а еще существует разброс при производстве), необходимо иметь запас по бюджету потерь не менее 2-3 дБ.

Чтобы кабель (или хост, или устройство) был USB-compliant, и работал в любых внешних системах, потери (с учетом редрайверов) в нём должны быть меньше, чем обозначенные в спецификации USB. Например, хост с потерями в 15 дБ может быть USB-compliant только с редрайвером. Трёхметровый кабель с потерями 12 дБ - не USB-compliant (но в некоторых системах работает).

Небольшие устройства на FR4 (standard loss) вполне могут работать с USB 3.2 Gen 1 и USB 3.2 Gen 2, но нужно следить за потерями и оптимизировать опасные участки (переходные отверстия, конденсаторы AC-coupling, фильтры, подключение разъемов).

Потери в кабеле можно измерять с помощью недорогих векторных анализаторов (NanoVNA) и оснастки с балунами (трансформатор unbalanced-balanced). Ошибка из-за разницы импедансов кабеля (90 Ом) и измерительной системы (100 Ом) очень мала.

Further reading

Про USB и потери:

  1. USB 3.1 Channel Loss Budgets

  2. USB 3.2 Revision 1.1 - June 2022

  3. USB 3.1 Legacy Connectors and Cable Assemblies Compliance Document

  4. USB 3.0 Connectors and Cable Assemblies Compliance Document

  5. USB Type-C® Cable and Connector Specification Release 2.1

  6. USB Type-C Connectors and Cable Assemblies Compliance Document

  7. USB4™ Cable Electricals and System Design

  8. TI: USB System Design Considerations: Switches and Redrivers

  9. Diodes: USB Type-C is Coming: 3 Things You’ve Just Gotta Know

  10. Tektronix: USB 3.0 Standard MOI for Cable Tests

  11. GRL: A Proactive Approach to USB4® Passive Cable Testing and Certification

Про S-параметры и характеризацию:

  1. S-Param: Various indicators… ILFit, ILD, ICN, ICR, IMR, INEXT, PQM, RQM…

  2. Polar: S-parameters. An introduction

  3. S-Parameters Tutorial – Part I: Fundamental Background

Про переходные отверстия:

  1. AN 766: Intel® Stratix® 10 Devices, High Speed Signal Interface Layout Design Guideline

  2. Comprehensive Analysis of the Impact of via Design on High-Speed Signal Integrity

  3. Тюнинг переходных отверстий печатных плат

  4. Influence of Via Stub Length and Antipad Size on the Insertion Loss Profile

  5. TI: Differential pairs: four things you need to know about vias

Про AC-coupling конденсаторы:

  1. Designing DC-Blocking Capacitor Transitions to Enable 56Gbps NRZ & 112Gbps PAM4

  2. Signal Integrity Characterization of Via Stubs on High Speed DDR4 Channels

  3. AN 766: Intel® Stratix® 10 Devices, High Speed Signal Interface Layout Design Guideline

Про измерения с балунами:

  1. Anritsu: Application of Vector Network Analyzers in Balanced Transmission Line Signal Integrity Measurements (стр. 30 и далее)

  2. Microwave Journal: Balun Measurements with a Two-Port Vector Network Analyzer

  3. Hyperlabs: Differential S-Parameter Measurements Using Single-Ended 2-Port Network Analyzer and HL9407 Ultra-Broadband Baluns

Про измерения на VNA цепей с нестандартным импедансом:

  1. DesignCon 2009 "Characterizing Non-Standard Impedance Channels with 50 Ohm Instruments"

  2. Eric Bogation - Measure a 75Ω cable with a 50Ω VNA

Про недорогие VNA

  1. Официальный сайт NanoVNA

  2. VNA6000

  3. ARINST VNA-DL 1-8800 MHz

Теги:
Хабы:
Если эта публикация вас вдохновила и вы хотите поддержать автора — не стесняйтесь нажать на кнопку
Всего голосов 122: ↑121 и ↓1+154
Комментарии60

Публикации