Single-Board-Computer

Auffrischung für USB-3.0-Signale

Wenn Geräte mit USB 3.0 nicht richtig funktionieren, wird der Kunde den Fehler im Gerät vermuten und nicht in einem minderwertigen Kabel oder Hub. Um unnötigen Retouren vorzubeugen, müssen die Gerätehersteller deshalb in den sauren Apfel beißen und die möglicherweise minderwertige Qualität anderer Komponenten ausgleichen. Das Rezept dazu heißt: Signalkonditionerung.

USB ist die erfolgreichste Schnittstelle in der Geschichte des PC. Es wurden bereits mehr als 6 Milliarden Einheiten weltweit installiert. USB ist nahezu in 100 % aller PCs und Peripheriegeräte integriert. High-Speed USB 2.0 mit 480 Mbit/s erfüllt viele Bedürfnisse der Verbraucher. Doch die steigende Nachfrage nach High-Definition-Video und schnellem Download von Digital-Media-Dateien hat zur Definition von SuperSpeed USB 3.0 geführt.

Während andere Schnittstellen ihre Datenrate mit jeder neuen Generation verdoppeln, bringt die USB-3.0-Spezifikation die zehnfache Erhöhung der Bandbreite. Darüber hinaus ist USB 3.0 nicht mehr ein einfacher Datenbus mit Host-Adressierung, Polling Traffic Flow und Packet Broadcasting. Die neue SuperSpeed-Spezifikation stellt eine viel komplexere Umgebung mit bidirektionaler und portadressierter Paketverteilung dar.

Die größte Herausforderung für Entwickler von Systemen mit USB-3.0-Anschlüssen sind die Anforderungen an die Signalintegrität (höhere Empfindlichkeit, Dämpfung, Jitter), die eine Übertragungsleitung mit 5 Gbit/s stellt. Erschwert wird das Problem durch die von der Spezifikation geforderte Abwärtskompatibilität mit dem USB 2.0, der für eine viel niedrigere Datenrate ausgelegt ist. Hinzu kommt die niedrige Preiserwartung der Verbraucher, die aus den günstigen USB-Vorgängerversionen resultiert.

Die Erhöhung der Datenrate auf bis zu 5 Gbit/s durch den Einsatz von Double-Data-Rate-Techniken auf einem 2,5-GHz-Signal erfordert eine spezielle Methode, um Signalstörungen zu vermeiden. Dämpfung und Jitter sind sozusagen Gegenspieler von Hochfrequenz-Signalübertragungen, weshalb diesen besondere Aufmerksamkeit gewidmet werden muss, insbesondere bei der Signalübertragung mit unterschiedlichen Kabellängen, mehreren Steckverbindern und Leiterbahnen auf der Platine.

hy-line 

Vollbild

Bild 1. Für eine reibungslose Signalübertragung muss das Signal nicht nur zuverlässig über unterschiedlich lange Kabel laufen können, sondern auch über alle Leiterbahnen und Steckverbindungen zwischen Sender und Empfänger.

Schliessen

hy-line

Bild 1. Für eine reibungslose Signalübertragung muss das Signal nicht nur zuverlässig über unterschiedlich lange Kabel laufen können, sondern auch über alle Leiterbahnen und Steckverbindungen zwischen Sender und Empfänger.

Generell sind bei hohen Frequenzen die Signalverluste deutlich stärker ausgeprägt als bei niedrigeren Frequenzen. Auch die Kombination von Leiterbahnen, Steckern und Kabeln kann die Signalqualität schnell verschlechtern. Für eine USB-3.0-Signalübertragung mit einer maximalen Länge von 3 Metern reicht ein SDP- (geschirmtes, differential pair) Kabel mit geringer Qualität vollkommen aus. Genauer betrachtet legt ein Signal aber mehr als 3 Meter vom Sender zum Empfänger zurück.

Beispielsweise beträgt die Distanz vom USB-Controller-Chip bis zur USB-Buchse in einem typischen Notebook ungefähr 25 Zentimeter. Die tatsächliche Entfernung, die ein Signal zurücklegen muss, ist also etwa einen halben Meter länger als erwartet (
Bild 1).

Der Verbraucher, das sorglose Wesen

Gerätehersteller und Verbraucher haben die Möglichkeit, Kabel mit einer höheren Qualität (Querschnitt, Material etc.) für ihre Produkte einzusetzen. Allerdings ist eine solche Verkabelung wesentlich teurer. Wird diese mit einem Produkt gebündelt, erhöht dies entsprechend die Kosten des Gesamtprodukts. Selbst wenn ein qualitativ hochwertiges Kabel im Lieferumfang enthalten ist, gibt es keinen Weg, um sicherzustellen, dass die Verbraucher die Kabel nicht verwechseln und versehentlich ein Kabel mit niedrigerer Qualität verwenden. Eine bestimmte Beschriftung könnte zwar bedeuten, dass ein geeignetes Kabel verwendet werden muss, aber Verbraucher kümmern sich in der Regel nicht um die Kabelqualität. Sie wollen einfach irgendein USB-Kabel verwenden und ihre USB-Geräte anschließen.

Wird ein qualitativ schlechtes Kabel verwendet, dann werden die Verbraucher zunächst annehmen, dass das angeschlossene Geräte fehlerhaft ist und nicht das Kabel. Das Ergebnis könnte ein höheres Aufkommen von Geräteretouren sein, was für die Akzeptanz von USB-3.0-Geräten und somit der USB-3.0-Technologie am Markt nicht förderlich wäre. Eine zu komplizierte Bedienung ist bei der Einführung einer neuen Technologie generell ein kritischer Punkt, der die Marktakzeptanz behindert. Ziel ist, eine Qualität zu gewährleisten, die von Kenntnisstand und Gewohnheiten der Endverbraucher unabhängig ist - salopp gesagt „idiotensicher“. Damit spielt es keine Rolle, welches USB-Kabel und -Endgerät verwendet wird.

1. Teil: Auffrischung für USB-3.0-Signale
2. Teil: Redriver „öffnet Auge“
3. Teil: Takt- und Schaltprobleme
4. Teil: USB 3.0 könnte auf Kosten von PCI Express gehen

Weiterführende Links:

• Design serieller Schnittstellen: USB 3.0 unter der Lupe