Как стать автором
Обновить

Бюджет потерь USB 3.2

Время на прочтение17 мин
Количество просмотров29K
Всего голосов 122: ↑121 и ↓1+154
Комментарии60

Комментарии 60

Занятно! Хоть с ходу понял далеко не всё, попробую вникнуть.

Аналогичная ситуация. Полезно будет разобраться. А то совсем уже непонятно какие кабели USB для каких целей покупать.

Как удалось на разъёме Type C добиться таких потерь? В радиолюбительском детстве мы уже на сотне МГц использовали ВЧ- и СВЧ-разъёмы хитрой формы и микрополосковые линии, а тут на простейшем разъёме и с самыми обычными дорожками (пусть и со сглаженными углами) получили не более 1 дБ на частотах до 10 ГГц…

Тут не 10, тут 4 ГГц. Это 8 сантиметров длина волны. Неоднородности короткие никак не повлияют, если контакт хороший.

Ну всё таки то что мы видим на фото - не что иное как микрополосковые линии. Ширина самых обычных дорожек, расстояние между ними и до окружающей земли на верхнем слое рассчитаны и зависят от многих параметров - свойств диэлектрика, толщины диэлектрика, которая определяет расстояние до слоя ближайшего земли под ним и т. д.

Хм, значит ли это, что можно использовать Type C для подключения антенны?...ну, в теории

Если Вас в качестве фидера устраивает симметричная линия с волновым сопротивлением 85 Ом, то почему бы и нет (...ну, в теории)

Частота Найквиста USB 3.2 Gen 1 - 2.5 ГГц, USB 3.2 Gen 2 - 5 ГГц, USB4 - 10 ГГц.

Основная проблема в разъёмах - резонансный четвертьволновый стаб в контактной паре. На 10 ГГц (USB4) задача всё ещё сравнительно простая - длина волны 10 ГГц в диэлектрике (фактор замедления 0.5) около 15 мм, длина волны третьей гармоники - 5 мм. Поэтому стаб длиной 0.5 мм неприятен, но не фатален.

Настоящие сложности начинаются, когда длина волны сигнала (или 3-5 гармоники) становится сравнима с механическими габаритами "хвостиков" контактной пары. Это частоты уровня 20...50 ГГц, которые сейчас не редкость - 56-112 Gbps NRZ, 112 Gbps PAM4 и подобные.

Я правильно понимаю вашу мысль, что для  USB 3.2 Gen 1 штатно используется ADC с частотой оцифровки 2.5 ГГц * 2 = 5 Gsa/s? Частота Найквиста по определению равна половине частоты отсчетов.

Не совсем так, но сигнал NRZ 5 Гбит/с может быть оцифрован без потерь при 5 Gsps.

Частота Найквиста здесь используется как fundamental frequency, способ оценки спектра сигнала. Для модуляции NRZ, скорости передачи данных 5 Гбит/с (как в USB 3.2 Gen 1) и последовательности битов 101010...10 (при которой частота смены уровня сигнала на линии самая высокая) фундаментальная частота будет равна 2.5 ГГц.

Про второй смысл "частоты Найквиста"

Nyquist Frequency

Originally, it is a sampling theorem in the digitization of analog signals, which means that "only frequencies up to half the sampling frequency can be reproduced". In turn, it is also used as a term to indicate the frequency that is the main component of a digital transmission signal. In NRZ, 1/2 of the data rate is the Nyquist frequency, and in the method called PAM4, which vertically overlaps 2 bits, it is 1/4.

Также см. Intel: NRZ Fundamentals

Да, удивительно, что вполне конкретный, строгий и широко используемый строго по определению математический термин смешивается со значением частоты максимума энергии спектра сигнала. Не вижу в таком подходе никакого смысла, т.к. подмена понятий привносит только путаницу.

Более того, для нормального декодирования такого сигнала нужна частота отсчётов примерно в 4 раза выше частоты максимума энергетического спектра. Т.е. вполне имеет смысл использовать частоту Найквиста равную двукратной частоте максимума энергии. Вынос мозга у господ из Интела :)

предки умели в 3.5 кГц полосу загонять 38 кбод

Я как раз такой предок и есть. Начинали с модемов на 2400 бод :)

Сильно попозже QAM-256 для 8 ГГц полосы сигнала разрабатывали и изготавливали.

Это частоты уровня 20...50 ГГц, которые сейчас не редкость — 56-112 Gbps NRZ, 112 Gbps PAM4 и подобные.

а где именно они не редкость?
в pcie5 32 Gbps NRZ, в pcie6 64 Gbps PAM4. у ddr5 и того меньше.
и по слухам производители столкнулись с проблемами с pcie5.

Например, в системах магистральной и внутренней связи 400G / 800G / 1.6T.
Такие скорости используются в Serdes между FPGA и оптическим трансивером.

IEEE P802.3ck 100 Gb/s, 200 Gb/s, and 400 Gb/s Electrical Interfaces

НЛО прилетело и опубликовало эту надпись здесь

а измеряли и видели отражения? Или просто плохой КСВ были а разъемы улучшали? Или просто делали так, как считалось правильным?

Я раньше переоценивал сложность, а надо было всего-то посчитать соотношение с длиной волны. 13.56 МГц оказываются вообще почти DC... (хотя пока не заработало, как надо...)

Спасибо, очень интересно и полезно.

Жалко что не затронули тему потерь по постоянному току. Для USB Type-C обещали шокирующую мощность передачи питающего напряжения вроде бы более 60 ватт. Очень интересно на практике кабели и разъёмы обеспечивают нечто подобное? С учётом габаритов разъёмов и количества подключаемых линий для меня до сих пор является загадкой каким образом это можно обеспечить...

Конечно обеспечивают, любой современный ноутбук с зарядкой по type-c заряжается мощностью по 50+ Вт.

Там идет согласование напряжения, и если хост и слейв оба умеют в стандарт (а не просто распаяли usb 2.0 на коннекторе), то там напруга влоть до 20 вольт поднимается, что дает ток в 5А по проводу.

В общем то я в курсе этого, но глядя на кабель, габариты разъёма и расположение выводов разъёма под установку на плате удивляет как через него можно этих 5 ампер пропустить. Настолько всё плотно, что ни широкой дорожки не подвести ни переходного толком не поставить... Ну и в имеющихся у меня в наличии кабелях толстых жил я не наблюдал.

Интересно какие же допустимые потери в системе разъёмы-кабель посадочное место при этих пяти то амперах!

раньше, когда разъем заявлялся на 5А, это означало что этой тупой блок питания, который выдавал 100А и больше во время коммутации, сбрасывая краткосрочно энергию с банок конденсаторов.
В USB новых версий подобного нет. Потому что энергия подается после "рукопожатия".
Ну и пины питания там задублированы. Дальше можно смотреть буржуинский стандарт AWG - какое будет падение напряжение на медных проводниках.

НЛО прилетело и опубликовало эту надпись здесь

Только все наоборот: монитор втыкают в розетку и он питает ноутбук. Зарядное устройство встроено в ноутбук.

по спецификации вроде максимум 20 вольт и 5 ампер, что 100 ватт даёт. Да 4 контактные площадки под плюс выведены но с учётом шага пинов и не слишком удобного из расположения для подвода питания удивляет как 5 ампер с них выкачивают и как кабель не греется от такого тока с учётом ограниченного сечения проводников...

Сам когда то делал трассировку устройств с этими разъёмами намучился чтобы под нормы резонита подогнать. Хорошо что у меня по крайней мере ток питания был небольшой

Еще больше удивляет живучесть самих контактов разъема при таких токах. Ведь в ходе эксплуатации и покрытие изнашивается, и грязь неизбежно попадает, и вот уже эти 5А начинают вовсе не равномерно распределяться между 4-мя параллельными контактами из-за разброса их сопротивления. Воображение так и рисует перспективу появления в недалеком будущем в сети кучи фотографий разъемов с оплавленным диэлектриком.

5 лет. полёт нормальный. каждый день по многу раз втыкаю, вытыкаю. Ноутбук и телефон и оба норм.

Меня вот удивляет как в таких условиях работают магнитные коннекторы вроде https://www.ozon.ru/product/perehodnik-magnitnyy-dixis-magnetic-adapter-dlya-macbook-type-c-black-am24p-glg-573902648/ работают
Заявлено:
Type-C DC 20V/5A (Макс) / 100 Вт, USB3.1 / 9 Gpbs,
И при этом на них даже DisplayPort Alt.Mode работает

Покупал магнитный коннектор для обычного microUSB, перестал сначала заряжать, а потом и вовсе работать через пару месяцев

Увешал коннекторами три бука, два дока, монитор, два телефона и пару наушников: два месяца — полет нормальный.
4K@60fps, 100W — в наличии и используются..

У меня магнитным коннекторам уже несколько лет, работают без особых проблем. И видео, и данные, и питание. Но я гонял до 45 Вт по ним.

USB PD Revision 3.1

New 28V, 36V, and 48V fixed voltages enable up to 140W, 180W and 240W power levels, respectively.

https://www.usb.org/usb-charger-pd

Даже не знаю что по этому поводу ответить, с учётом того, что в смартфонах и планшетах самой распространённой неисправностью ещё с тех времён, когда зарядный ток не превышал ампера были повреждения и плохие контакты в разъёмах

... и к 2030 году сделают стандарт USB HV с напряжением 10 кВ и мощностью 50 кВт :-) (шутка)

>как аналог Thunderbolt от Apple

Только Thunderbolt всё же от Intel, а не от Apple, хотя они его разрабатывали вместе, да.

Питание по USB Type C - и правда отдельная большая тема.

По спецификации сопротивление одной контактной пары VBUS или GND должно быть не более 50 мОм (в течение всей жизни, то есть 10 000 циклов соединения), стойкость изоляции не хуже 100VAC RMS. Суммарный рейтинг по току для всех контактов VBUS/GND равен 5 А.

Греться разъем может. Допустимое повышение температуры (при максимальном разрешённом токе) - 30 градусов относительно окружающей среды. Горячий, но без оплавленной изоляции)

USB Power Delivery 2.0 описывает мощность до 100W (20V, 5A) через USB Type C.
Актуальный стандарт USB PD 3.0 - вплоть до 240W (48V, 5A).

Ну вообще, стандартные microusb спокойно тянут 2А (у меня так телефон заряжается), можно выжать и 3+ (экспериментировал на самоделках из валяющихся под рукой разъемов). Проблема будет уже в проводе и источнике питания. А в type-c, по виду, вообще без проблем можно гонять эти 5А

А вот что плохо, так это то, что производители ноутбуков, к примеру, не всегда указывают, какой стандарт USB PD поддерживает type-c, как уже упоминали. И может оказаться, что это не более, чем обычный USB 2.0-3.x разъём с какими-нибудь 5В@0.5А

USB это поистине универсальный стандарт. Только раньше это было про совместимость, а теперь про возможность напихать различных, в том числе и не совсем совместимых, стандартов в рамках одного названия, на радость маркетологам и на печаль пользователям.(сарказм).

Такое впечатление, что с USB история та же, что с удачными фильмами в Голливуде - начинают до посинения эксплуатировать исходное название.

На второй есть нормальный кабель, но пользователь хочет странного )

На практике 99.9% всех проблем с USB это софтверные проблемы.
Чтобы избежать оставшихся 0,1% достаточно не быть мудаком и повторить референсный дизайн поставщика чипов.
Если проблемы сохраняются, то нужно выслать свой дизайн поставщику чипов, который и должен выявить проблемы. Обычно на это легко соглашаются и их приборы и лаборатории лучше твоих. Вот как раз для этого и нужно повторять референсный дизайн, в противном случае вас пошлют "читать методичку, где все для вас написали".
Что заставило автора потрать столько ресурсов компании, чтобы делать оснастки и приводить подобные расчеты?
Возможно ему просто заняться нечем. Но думаю дело было так - схемотехник оказался бестолковый, сроки сорвали и пришлось оплачивать "исследование".

USB это обычная дифференциальная линия передачи. Использовалась десятки лет до появления первого стандарта USB. Из нового там примерно ничего, если не брать в расчет интеллектуальную подачу питания в новых версиях.

Нет.

ну, все-таки требования не слабые: бытовое, выдерживающее много подключений-отключений, частоты порядка десятков гигагерц.

Референсный дизайн - хорошо, но то текстолит не тот, то запаяли не так, то разъемы от неизвестного производителя. Оно вроде и работает чаще всего, но ...

off Как-то позабавила, современными технологиями в бытовых вещах, статья, где радиолюбитель в своей конструкции использовал SATA кабель как соединительный кабель радиосигнала. А сейчас 5ГГц становится чем-то обычным.

Когда-то вообще считалось, что передача 10 ГГц возможна исключительно посредством волноводов, а коротенькие коаксиальные участки использовались только для ввода сигнала в волновод и для всяких вращающихся переходов и т.п.

Если вас устраивает бюджет потерь -20dB (в 100 раз по мощности!), то можно и кабелем. Если это чересчур, то по-прежнему, только волновод.

Я и не утверждал, что волноводы сейчас нигде не применяются. Помимо длинных линий, критичных к потерям, можно вспомнить и передачу больших мощностей. Но, например, волновод для передачи сигнала гетеродина к смесителю приемника сейчас выглядел бы несколько архаично, а в советских РЛС это было типовое решение.

А не поделитесь статьёй?

Уже не найду. Это был год примерно 2015й - соединялись между собой две схемы - от кабеля отрезались разъемы. Насколько это хуже и лучше чем обычный кабель неизвестно. Автор был доволен результатом.

"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!)."
Ну это классика схемотехники, а не обязательно экономия - то что должно работать на низких скоростях не нужно проектировать как для высоких. Иначе ты ухудшаешь целостность сигналов.

Думаю для повышения комфортности пользования необходимо, что бы вставлять в порт можно было любой стороной. А в целом согласен очень универсальный стандарт и незаменимы. Новый создавать смысла не имеет. Поэтому дальнейшее развитие будет идти в сторону повышения пропускной способности.

Вы не пробовали свести требования по разводке всех USB стандартов в удобоваримую форму для использования?

Спецификация чаще всего определяет лишь необходимый результат, а не требования ("правила") к разводке. Например, предельные insertion loss, FEXT/NEXT, требуемое волновое сопротивление, параметры раскрытия глаза на приёмнике. Как эти требования реализовать - уже задача инженера.

Годно! Пиши ещё. Спасибо.

Сейчас помимо редрайверов есть ещё ретаймеры, которые могут обеспечить значительно более чистый сигнал.

Кроме как "спасибо" и сказать нечего. Так что им и ограничусь.

Интересно. Такой подход можно и к анализу соединения 1/10gb LAN применить. Поискал сходу кажется, что NanoVNA сильно дешевле тестера diff пар LAN.

качестве измерительного прибора используется VNA6000

Вы случаем не вскрывали данный прибор? очень интересно что они в него установили, что он в полтора раза дороже Либры(librevna) вышел.
И вообще можете поделиться впечатлениями от использования?
Зарегистрируйтесь на Хабре, чтобы оставить комментарий

Публикации

Истории