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Single-Board-Computer

Auffrischung für USB-3.0-Signale

21. November 2011, 9:51 Uhr | Von Joseph Juan und Rudolf Sosnowsky

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Fortsetzung des Artikels von Teil 1

Redriver „öffnet Auge“

Wenn die Signalqualität durch Rauschen, Jitter und Dämpfung reduziert wird, kann das Signal durch Aufbereitung wieder hergestellt werden. Dieses „Signal Conditioning“, in Silizium gegossen, wird als „Redriver“ bezeichnet. Redriver bereiten das eingehende Signal auf und sorgen dafür, dass der Empfänger es verarbeiten kann (Bild 2).

Wenn ein Redriver vor dem Empfänger eingesetzt wird, kann dieser ein fast „geschlossenes“ Auge (Augendiagramm) wieder öffnen. Redriver helfen bei der Signalübertragung über größere Distanzen und Steckverbindungen, indem sie das Signal durch Verstärkung und Entzerrung aufbereiten und damit Signaldämpfung und Jitter reduzieren. Das Signal wird dann mit erhöhter Leistung übertragen. Im Prinzip wird der Signalpfad in mehrere Abschnitte aufgeteilt und die Qualität des Signals in jedem Abschnitt aufbereitet.

Die Aufbereitung des Signals steigert dessen Rauschabstand und erhöht den Spielraum für Ingenieure. Sie bietet mehr Freiraum für längere Übertragungsdistanzen und höhere Flexibilität beim Design der Leiterplatte. Höchstwahrscheinlich werden dadurch weniger Lagen für Signal und Masse benötigt. Insgesamt besteht dadurch eine höhere Chance eines erfolgreichen „First-Pass-Design“. Auch die Ausfallsicherheit wird durch eine geringe BER (Bit Error Rate) gesteigert und zugleich Übertragungsfehler reduziert. Das erhöht den Durchsatz effektiv und führt zu einer verbesserten Performance.

Bei Anwendungen im Endverbraucherbereich werden USB-Geräte häufig installiert und wieder abgesteckt (z.B. USB-Sticks). Hierbei bietet die adaptive Entzerrung die insgesamt beste Kanalleistung. Im Gegensatz zu PCI Express, bei dem der Kanal in den meisten Fällen fest ist, kann sich der USB-Signalpfad im Laufe der Zeit ändern. Die Verwendung verschiedener USB-Geräte bringt meist unterschiedliche Kabellängen und Signalwege mit sich, die ein Signal zurücklegen muss.

Beispiel: Die Entzerrung, die für ein 3-m-Kabel ideal ist, würde ein Signal unbrauchbar machen, wenn ein USB-Stick verwendet wird, der kein externes Kabel benötigt. Durch kontinuierliche Überwachung und Anpassung wird sichergestellt, dass der Redriver immer optimal auf den tatsächlichen Signalweg eingestellt ist.

Eine kontinuierliche Anpassung ist nicht notwendig, wenn der Signalweg nicht verändert wird. Das ist z.B. in einer Server-Umgebung der Fall, wo Kabel verlegt werden, die nie wieder entfernt werden. Für Anwendungen wie diese ist ein konfigurierbarer Equalizer die beste Wahl, der genau auf die Anwendung eingestellt werden kann.

Kostenreduktion mit verbesserter Signalgüte

Durch die Signalkonditionierung können die Hersteller längere, dünnere und kostengünstigere Kabel verwenden. Die Vorteile liegen auf der Hand: Die Kabel sind flexibler, sehen besser aus und die Geräte funktionieren wie erwartet. Obwohl mit dem Redriver dem Board eine weitere Komponente hinzugefügt wird, steigen die Gesamtproduktionskosten des Gerätes dadurch nicht. Der Redriver weist eine äußerst effiziente Grundfläche auf. Ein Board sollte dadurch nicht größer werden. Das ist für tragbare Geräte ein besonders wichtiger Faktor.

Ein weiterer Punkt ist die elektrostatische Entladung (ESD), die ein Benutzer bei einem Gerät verursachen kann. Angesichts der Kostenvorteile wird die USB-Schnittstelle wahrscheinlich demnächst in den Chipsatz integriert. Das bedeutet, dass im Fall einer Entladung nicht nur der USB-Controller anfällig für ein ESD-Ereignis wäre, sondern der gesamte Chipsatz. Das System wäre damit funktionsunfähig.

Da die Redriver zwischen dem Anschluss und dem Receiver/Transmitter sitzen, isolieren sie auch die Chipsätze mit integriertem USB. Falls ein signifikantes ESD-Ereignis auftritt, schützt der Redriver den Controller des Systems. Im schlimmsten Fall wird nur der eine USB-Port beschädigt, das restliche System bleibt funktionsfähig.

Verbraucher erwarten, dass ein USB-3.0-Gerät zum Preis eines USB-2.0-Gerätes erhältlich sein wird. Ein wichtiger Punkt bei der Designüberlegung von USB 2.0 war die Möglichkeit einer kostengünstigen Produktion. Irrtümlicherweise denken viele Hersteller, USB-3.0-Produkte könnten auf dieselbe Weise gebaut werden wie USB-2.0-Produkte. Der Markt wird günstige Hubs und Peripheriegeräte erwarten. Der Druck auf die Hersteller, die Kosten zu senken, wird steigen und Hersteller zu Einsparungen verleiten.

Die Erfahrung zeigt, dass beispielsweise Sicherungen zur Strombegrenzung weggelassen, Kabel von niedriger Qualität verwendet oder die Signalaufbereitung dem Empfangsgerät überlassen werden. Es wird Hersteller geben, die für diese Produkte qualitativ hochwertige Kabel einsetzen werden, um innerhalb der erforderlichen Toleranzwerte zu bleiben, die zur Einhaltung der Spezifikation erforderlich sind. Der normale Verbraucher jedoch wird glauben, dass ein beliebiges USB-Kabel verwendet werden kann und dennoch alles zuverlässig funktioniert. Gewissenhafte Hersteller werden vor dem Problem stehen, dass diese „billigen“ Geräte den Markt aufgrund ihres Kostenvorteils überschwemmen werden.

Wenn zum Beispiel eine externe Festplatte aufgrund schlechter Signalqualität ständig empfangsseitige Fehler erzeugt, werden die Benutzer denken, dass es am Laufwerk liegt. An die billigen Kabel oder den günstigen Hub wird nicht gedacht, da diese ja gut genug mit den anderen Peripheriegeräten funktionieren. Das Ergebnis ist, dass diese Hersteller eine hohe Anzahl an vermeidbaren Rücksendungen haben werden. Hersteller, die die Funktion ihrer Geräte auch im Zusammenwirken mit qualitativ minderwertigen Komponenten sicherstellen wollen, sorgen mit einem Redriver dafür, dass die Signale sowohl am Ein- als am Ausgang wiederhergestellt werden.

Durch die zusätzliche Aufbereitung des übertragenen Signals können Entwickler sicherstellen, dass ihr Produkt mit jedem anderen Gerät über jede Kabellänge kompatibel ist - sogar mit solchen Geräten, die die Si-gnale auf der Empfangsseite nicht verstärken.