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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 2

Takt- und Schaltprobleme

USB-Controller, -Geräte, -Hubs und Prozessoren mit integriertem USB benötigen alle einen akkuraten und zuverlässigen Takt. Die Taktsignale spielen eine wichtige Rolle in einem System, da mit steigender Taktfrequenz die erlaubte Phasenschwankung (Jitter) sinkt. Ein häufiges Missverständnis ist, dass Taktsignale etabliert und einfach zu implementieren sind. Tatsächlich ist die Taktgenerierung und -synchronisierung technisch sehr komplex, besonders bei hohen Frequenzen. Angesichts der Kosten von Taktgeneratoren mit hoher Frequenz ist es weitaus günstiger, das Taktsignal in einer Niederfrequenz-Quelle zu erzeugen und zu multiplizieren.

Problematisch wird es jedoch, wenn ein Niederfrequenz-Takt in ein Hochfrequenzsignal vervielfacht wird und dabei der Jitter um denselben Faktor multipliziert wird. Der Jitter wird dabei deutlich die Toleranzgrenzen überschreiten. Die Herausforderung für die Entwickler besteht darin, einen Mittelweg zwischen niedriger Eingangsfrequenz und resultierendem Jitter zu finden. Aus diesem Grund dürfen Takt-Generatoren und -puffer nur geringfügig Verzerrungen hinzufügen.

Ebenso müssen USB-Schalter für störungsfreie Übergänge sorgen. Zum Beispiel kann ein USB-Switch die Kosten bei Anwendungen wie Dockingstationen senken, indem die Anzahl der physischen Ports eines Systems gesenkt wird. Indem der Switch für eine geringe Impedanz sorgt, kann er die Verluste durch das An- und Abkoppeln der Peripherie senken. Das Signal bleibt erhalten und es werden keine Störungen zurück zum Transmitter reflektiert. Die Signalintegrität wird aufrechterhalten.

Strom sparen anhand intelligenter USB-Verwaltung

Viele USB-3.0-Hosts und Endgeräte von Anwendern sind batteriebetrieben, einschließlich Notebooks, Netbooks und Smartphones. Aufgrund dessen führt USB 3.0 mehrere neue Energiesparmodi ein. Unter anderen sind das: Leerlauf, Ruhemodus und Unterbrechung (idle, sleep, suspend). Die Entwicklungsingenieure werden diese Energiesparfunktionen nutzen, um die Betriebsdauer der batteriebetriebenen Geräte zu maximieren. Da USB eine bidirektionale Zweikanalschnittstelle ist, können die Sende- und Empfangskanäle unabhängig voneinander abgeschaltet werden. Die Leistungsverwaltung der Sende-Redriver ist einfach: Ruhemodus, wenn keine Daten zu senden sind.

Wegen der Hot-Plugging-Fähigkeiten von USB ist die Verwaltung der Empfangsleitung komplizierter. Einerseits können die Daten jederzeit ankommen und andererseits sind komplexe Signalerkennungsmechanismen erforderlich. Letzteres muss der Redriver direkt unterstützen, um die Transparenz aufrechtzuerhalten. Beispielsweise haben Empfänger einen unsymmetrischen 50-Ω-Abschluss; ist dieser Abschluss nicht vorhanden, ist auch kein Empfänger vorhanden. In diesem Fall kann sich der Redriver abschalten und in unregelmäßigen Abständen aufwachen, um die Schnittstelle abzufragen, ob ein Empfänger eingesteckt wurde. Die Häufigkeit der Abfrage bestimmt sowohl die Abschaltenergieeffizienz als auch die Aufwachlatenz.

Wird ein Gerät eingesteckt, kann der Redriver den Pegel des Signaldetektors messen, um zu prüfen, ob die Verbindung sich im elektrischen Leerlauf befindet oder ob Daten übertragen werden. Wenn das Signal unter den Schwellwert sinkt, liegt kein Empfangssignal an und der Zusatzverstärker kann in den Schlaf- oder Schlummermodus fallen. Typischerweise liegt dieser Schwellwert bei 100 mV Differenzspannung. Jedoch können Entwickler den Schwellwert niedriger einstellen, um die Empfindlichkeit zu erhöhen. Das ist bei Signalübertragungen über lange Distanzen sinnvoll. Beispiel: In digitalen TV-Geräten kann der USB-Port an einer Seite platziert sein, an der auch andere Anschlüsse angebracht sind. Diese Stelle könnte relativ weit vom tatsächlichen Regler entfernt sein.

In einer USB-3.0-Umgebung müssen die Konstrukteure ebenfalls berücksichtigen, dass sie zwar die Treiberkapazität ihrer Transmitter kennen, aber normalerweise nicht die Eigenschaften des Transmitters am anderen Ende. In diesem Fall sind Konstrukteure gut beraten, wenn sie die bestmögliche Empfangsempfindlichkeit sicherstellen und damit ein bereits unsauberes Signal im Augendiagramm wieder klar darstellen können. Ein niedriger elektrischer Leerlaufschwellwert ist eine ausgezeichnete Technik zur Erhöhung der Empfindlichkeit für Empfänger. Ein niedriger Schwellwert ist bei der Anwendung von USB 3.0 in Servern ebenso sinnvoll, da hier der USB-Signalpfad länger als bei Notebook oder PC sein kann.