高速互联中的ReDriver/Repeater和Retimer

2020-11-16 14:44:31 199

近段时间发了些科普文章,里面提到了PD, TYPE-C, GMSL/LVDS, TMDS等最小差分对信号。

网友间的聊天交流记录:
"通常这么低的电压都是处理稍微高速一点数字信号的"
“通常是这样理解的,知道为什么吗?”

“低压器件速度会快一些,功耗正比于cv*2f”

“很好这里提到了C,也就是FET管子的充放电容,制程越低C会越小,消耗的焦耳数就会小一些。频率越高,差值就显著了”

“所以,我们看到的GMSL/LVDS,SerDES, TMDS等高速互联都是采用的最小差分对的方式通信传输”


下面小编就针对高速互联里常提到的ReDriver和Retimer详细阐述


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USB-REDRIVER-EVM USB 2.0 & USB 3.0 redriver evaluation module board image


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背面放大的USB3.0的ReDriver Demo 示意


提到ReDriver和Retimer概念之前,我们需要及时复习一下 :)

信号完整性 SI(Signal Integrity)


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轨道塌陷


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信号的反射


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有两种特殊情况的反射,一种是末端开路,另一种是末端短路。末端开路时, Z2=无穷大 。所有的入射全部反射且幅度与入射相同,极性也相同。此时的末端电压是入射的2倍。


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在高速串行通道的信号完整性(Signal Integrity)传输中,需要使用Redriver/Repeater 和Retimer来保证信号传输的质量。

信号完整性. ReDriver/中继器/信号调理器

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常见的QSFP+和USB3.0有源电缆 ReDriver/Repeater TX/RX电路中继示意


ReDriver,也称为中继器IC,再生信号以提高高速接口的信号质量。更快的信号频率使设计者有更少的信号裕度来设计可靠、高性能的系统.使用均衡,预强调和其他技术,一个单一的RedRiver可以调整和纠正已知的信道损耗在发射机和恢复信号完整性的接收器。这将在接收机处形成一种眼图,以提供低误码率(BER)的可靠通信所需的边距。


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ReDriver,可以重新产生讯号,在高速接口上增加讯号质量。高速的讯号频率造成设计上可用的宽裕度降低,增加设计耐用、高性能系统的难度。透过使用同等化(equalization)、预强调(pre-emphasis)和其他技术,可让单一ReDriver调整与矫正传输端上频道的损失,并在接收端上恢复讯号完整性。因此可以在接收端产生宽裕度足以满足传送可靠讯号、减少讯号错误率的眼图 。

再驱动器(中继器集成电路)是解决日益增加的设计复杂性的关键技术,当今高速互连的更高数据速率在每个行业和协议中都引入了这一技术。

为了在整个信号链中实现更好的信号完整性,基于其行业领先的信号调理技术提供了重新驱动器。与基于协议的信号转发器相比,转发器提供了更好的性能,基于协议的信号转发器充当必须终止然后重发信号的端点,因此引入了延迟并增加了系统成本。此外,重新驱动器通过在物理层调节和传递信号来最小化抖动。


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瑞萨的HDMI 4x TMDS Regeneration Extender w/Mux 
内带CDR Retimer重建时钟功能,对传输电缆失配引入的抖动具较好的补偿


ReDriver是解决设计复杂设计难题的关键的技术,现今各种应用的高速链接所需的高速数据传输通讯协议都可以应用。ReDrivers提供比基于协议讯号更好的性能,不需要在终端点终止信号,然后重新传送,因此消除延迟和附加系统成本。此外ReDrivers调节与传递讯号是透过物理层工作,因此有最少的讯号抖动 。


目前在USB3.0m,4K DISPLAY 等需要高速传输的接口中使用ReDrvier,作为信号调节器。可以保证信号传输完整性。

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应用于汽车电子高速互联通信和USB电缆的ReDriver示意


ReDriver也称Repeater(中继)和Retimer都属于信号调理(Signal Conditioning)芯片,它们的作用都是信号均衡和增强作用,但是在具体实现功能方面有些区别。


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内置了Retimer功能的SFP+/QSFP+ 
低功耗多速率四通道重定时器


Retimer就类似于一个PHY芯片,其信号在经过Retimer的时候,通过内部的时钟重构信号,使其信号传输能量增加,然后再继续传输。Retimer是内部具有CDR(数据时钟恢复)的IC,本质是采用了PLL锁相环对各连接器通道的串扰(Cross Talk)及电缆和线路板阻抗失真引入的时钟抖动(Jitter实现数据的恢复之后然后再此按照串行通道把信号发送出去。可以减轻信号的抖动。此,除了具有Repeater的全部功能以外,额外增加了CDR功能,能够有效去除接收信号的Jitter


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典型的多路25GBps光收发器,每一路都有retimer


延伸拓展:

Advanced Retimer (Retimer with DFE)

除了具备Retimer的全部功能以外,还集成了多个tap的DFE,可以有效减少接收信号的Crosstalk

Re-driver的作用只是增强原有的信号,在物理层补充能量,而Re-timer则是把前一级的信号进行重构然后再发送出去。产生了时钟,并恢复了数据。


中继补偿传输信道耗损 Retimer确保讯号完整性


USB Type-C(也作USB-C)支持最新的USB 3.2标准。特性完备的USB-C电缆可支持10Gbps的数据吞吐量,是USB 3.2 Gen1标准的两倍。根据DisplayPort 1.4标准,在每路显示输出中该电缆支持四信道,每信道数据传输率可达8.1Gbps。DisplayPort则是以数据报的形式通过数字接口同时传输高分辨率音视频信号,总带宽可达32.4Gbps。高速的数据传输率和常见的嵌入式时钟架构的结合,有助于在差分讯号对信道中传输海量的数据和影音频号。

讯号完整性成高速讯号传输挑战

高速讯号在通过电缆或印刷电路板传输时,衰减现象很严重,甚至会导致讯号畸变。讯号通常透过传输线路传输,长度为10到12英吋的传输线路导致的通道插入损耗达20dB或更高。此外,反射、串扰、杂波讯号和散射都会导致讯号完整性与眼图区间恶化。讯号传输距离增加导致讯号衰减程度加重且讯号质量下降,进而导致数据位错误,无法在远程或接收端成功复原传输的讯号。

为避免或减轻这种现象,须为数据传输率为8.1Gbps以上的串行接口设置中继器,以滤除随机杂波和系统噪声,使讯号符合规范要求。中继器通常部署在信道途中,以补偿信道损耗。目前有两种类型的中继器:Retimer和Redriver。Retimer可对来自上游信道的讯号进行均衡,使用CDR恢复时钟讯号,并生成数字应激讯号,传送至下游信道。Redriver可均衡来自上游信道的讯号并将其传送至下游通道。它的输出讯号在输入讯号的连续驱动下生成。Redriver不包含CDR,也不执行复位时操作。


桌机/笔电USB-C与USB-A接口讯号改善方案

在所有互联协议中,数据传输速率不断提高,对CPU的性能要求更高,进而提升整个信道的数据传输速率。当主流CPU供货商不断减小其芯片尺寸以降低功耗、维持性价比时,这种情形尤其明显,最终导致保证讯号符合规范要求的最大传输路径长度不断缩短。

英特尔(Intel)的CNL和CFL平台USB3.1 Gen 2应用设计指南建议OEM厂商在使用USB-C接头时,使用基于Retimer的主动复用解决方案;在使用USB Type-A接头时,使用Retimer方案,以保证讯号完整性,获得更好的JTOL区间。Retimer应用必须符合USB 3.2规范的附录E,在USB 3.2 Gen2模式下能够提供23dB的损耗补偿。

USB 3.2规范定义了以下两种类型的Retimer:

SRIS Retimer 在SSC无关参考时钟(Separa
te Reference clock Independent of SSC, SRIS)Retimer应用中,传输时钟讯号来自本地参考时钟,与接收端复原的时钟讯号无关。


BLR  数据位Retimer(Bit-Level Retimer, BLR)的应用中,传输时钟讯号来自接收端复原的时钟讯号(链路训练的某些阶段除外)。


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对桌机/笔电的USB-C插入损耗进行补偿设计



       北京交通大学MBA

       资深半导体电子行业专家


       曾与硅谷工作和斯坦福大学访问,从事半导体电子行业三十余年。曾工作于电子工业部军工单位、欧美半导体著名厂商ADI、高通、NXP、Microchip、Elantec、Intersil、Cadeka、Exar等。主要从事高性能模拟及混合电路、通信、汽车电子和物联网应用资源整合和技术方案设计评审。现任中电港高级技术顾问,曾任ECE集团i+创新创效大赛、Inte物联网创客大赛、华强中国智能硬件创客大赛、中国IoT产业新锐CEO大赛评委

 


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