Utilisation de redrivers pour étendre la portée des câbles USB 3.0 haut débit

Les dernières versions USB offrent des débits jusqu'à 2,5 Go/s, à condition que l'hôte et le périphérique soient à proximité. Dans les applications où l'USB est utilisé sur de plus longues distances, les concepteurs doivent trouver un moyen de compenser la dégradation du signal pour maintenir les débits de données USB spécifiés.

Lorsqu'il est possible d'utiliser des techniques d'égalisation, d'accentuation et de gain CC, les concepteurs ont plus de chances de réussir et d'accélérer la mise sur le marché en se tournant vers les redrivers USB. Il s'agit de dispositifs intégrés qui incluent tous les composants électroniques requis pour résoudre les problèmes de dégradation du signal.

Cet article décrit le fonctionnement des redrivers avant de présenter quelques dispositifs et d'expliquer la manière de les appliquer à une conception.

Il est possible d'étendre les capacités USB, mais cela a un coût

Lorsque la spécification USB a été définie, on a supposé que les connexions se feraient uniquement entre des dispositifs situés à quelques mètres les uns des autres, comme pour un ordinateur et un disque dur externe. La spécification USB 3.0 stipule que pour maintenir l'intégrité du signal, la longueur du câble ne doit pas dépasser 3 mètres. Mais la technologie USB connaît un tel succès qu'elle est maintenant utilisée pour des applications qui, pour des raisons pratiques, nécessitent des câbles plus longs. Citons par exemple la connexion d'un serveur à des écrans installés aux quatre coins d'un grand magasin.

Malheureusement, les câbles plus longs combinés aux signaux haute fréquence communs aux versions USB haute vitesse posent des problèmes d'intégrité du signal tels que la perte d'insertion de canal, la diaphonie, l'interférence intersymbole (ISI), et une baisse subséquente du débit.

Le concepteur de système USB peut se tourner vers différentes techniques pour surmonter la dégradation du signal. Par exemple, l'égalisation et l'accentuation peuvent être utilisées pour limiter les effets de l'interférence intersymbole et de la perte d'insertion de canal. Par ailleurs, l'augmentation du gain CC permet de faire face aux pertes dues à la diaphonie.

Cependant, la conception de circuits de mise en forme des signaux renforce la complexité du système USB, et le défi est d'autant plus ardu que la technologie USB utilise des paires de signaux distinctes pour la transmission et la réception, ce qui double le nombre de circuits requis. Le concepteur peut alors trouver de l'aide avec les redrivers USB.

Causes de la dégradation du signal

Les problèmes de dégradation du signal qui affectent l'USB rapide ne sont pas propres à cette technologie. Tous les concepteurs de produits qui utilisent des liaisons de communications haute vitesse y sont confrontés. Ils ne sont pas non plus spécifiques aux installations utilisant de longs câbles USB, mais parce qu'il y a moins de dégradation du signal dans les câbles courts, cela est moins problématique.

La dégradation du signal dans les systèmes de communications haute vitesse est principalement due à une combinaison de perte d'insertion, de diaphonie et d'interférence intersymbole.

La perte d'insertion découle de l'atténuation de la puissance du signal provoquée par le câble. Cette perte est proportionnelle à la longueur du câble. La diaphonie correspond au « couplage » capacitif, inductif ou conductif avec des porteuses de signaux adjacentes, entraînant une dégradation de l'intégrité du signal dans les deux. L'interférence intersymbole survient lorsqu'un symbole (le signal discret qui transmet les données et se répète en fonction de la fréquence porteuse) interfère avec le symbole précédent, ce qui entraîne une augmentation du bruit et de la distorsion. L'interférence intersymbole est proportionnelle à la fois à la fréquence porteuse (car l'intervalle de temps entre les signaux diminue à plus hautes fréquences) et à la longueur du câble (car le rapport signal/bruit (SNR) diminue dans des câbles plus longs). Le bruit correspond à la portion du signal qui ne transmet aucune information utile.

Les systèmes USB haute vitesse incluent également une certaine part de gigue déterministe et aléatoire, définie ici comme une légère déviation par rapport à la périodicité nominale du signal, ce qui peut compromettre l'intégrité du signal. Plus la fréquence de radiocommunications du système est élevée, plus l'impact de la gigue est important.

Surmonter la dégradation du signal

La dégradation du signal dans un système de communications haute vitesse est inévitable, mais elle devient problématique lorsque le rapport signal/bruit est tellement médiocre que certaines données transmises ne peuvent pas être décodées au niveau du récepteur. Il en résulte un débit compromis, voire un échec de la communication dans les cas les plus extrêmes.

Des ingénieurs ont développé quatre techniques pour améliorer le rapport signal/bruit (ou implémenter la « mise en forme des signaux ») afin d'améliorer le débit dans les systèmes de communications haute vitesse :

• L'accentuation/la désaccentuation consiste à amplifier les fréquences transmises les plus susceptibles d'être touchées par le bruit, puis à les désaccentuer au niveau du récepteur afin de reconstruire le signal d'origine.
• L'égalisation utilise le filtrage pour s'assurer que le signal reçu correspond bien aux caractéristiques de fréquence du signal transmis, maintenant ainsi une réponse en fréquence plate sur toute la longueur du câble.
• Le gain CC compense l'atténuation linéaire d'un câble d'une longueur donnée.
• Le contrôle d'excursion de sortie permet de configurer la tension différentielle USB afin de garantir qu'elle réponde aux spécifications requises de 0,8 V à 1,2 V.

L'optimisation de la communication pour une configuration spécifique nécessite de nombreux tests afin de déterminer la part d'égalisation, d'accentuation, de gain CC et de contrôle d'excursion de sortie nécessaire dans certaines conditions de fonctionnement. Ces informations peuvent ensuite être utilisées pour modifier et adapter chaque paramètre lors du fonctionnement, afin de maintenir un signal idéal. Cependant, la mise en forme adaptative des signaux est réservée aux systèmes de communication les plus critiques.

La mise en forme passive des signaux, grâce à laquelle une configuration unique s'adapte à toutes les conditions de fonctionnement, permet d'obtenir des résultats satisfaisants à un coût beaucoup plus raisonnable. L'inconvénient est que cette technique ne garantit pas des conditions optimales en permanence. Les concepteurs peuvent garantir la satisfaction du consommateur en fournissant un câble d'une longueur spécifique, qui a été testé pour être utilisé avec leur conception, ou en spécifiant une longueur maximale de câble.

La mise en forme des signaux est requise entre l'hôte USB (microprocesseur) et le canal du redriver, et entre le redriver et le canal du périphérique (via un connecteur et un câble). En général, différents paramètres de mise en forme des signaux sont nécessaires de chaque côté.

Concevoir un redriver

Les redrivers USB constituent un moyen pratique et économique d'implémenter une mise en forme transparente des signaux (sans impact sur le transfert de données) sur un canal USB. Des produits comme le PI3EQX1001XUAEX de Diodes Incorporated, un redriver linéaire USB 3.1 à 1 canal de 10 Gbps, permettent de rétablir un signal USB haute vitesse à son état d'origine avant sa réception par le dispositif d'extrémité (Figure 1).

Figure 1 : Les redrivers USB comme le PI3EQX1001XUAEX de Diodes Incorporated constituent un moyen pratique de restaurer l'intégrité du signal dans les câbles longs. (Source de l'image : Diodes Incorporated)

Étant donné que les redrivers permettent d'utiliser une large gamme de paramètres de configuration, la puce peut être montée soit sur la carte à circuit imprimé du système USB hôte, le plus près possible du connecteur, soit à l'extrémité du câble, à proximité du connecteur du périphérique ou du dispositif d'extrémité (comme illustré à la Figure 1). Cependant, la plupart des applications utilisent le redriver à l'extrémité USB hôte du câble.

Les pistes de la carte doivent être conçues de manière à répondre aux meilleures pratiques en matière de conception de signaux haute vitesse. Par exemple, les pistes doivent être des paires différentielles adaptées à impédance contrôlée. Le routage doit éviter l'utilisation de traversées et de courbes serrées (prévoir 135° ou plus), et les pistes doivent être référencées à un plan de masse solide, sans coupures ni divisions pour éviter les discontinuités d'impédance (Figure 2).

Figure 2 : Les pistes reliant l'hôte USB au redriver et au connecteur doivent adopter les meilleures pratiques en matière de conception de signaux haute vitesse. Par exemple, pour limiter les interférences, les courbes ne doivent pas être inférieures à 135°. (Source de l'image : Texas Instruments)

Une fois que la carte à circuit imprimé et les composants ont été assemblés, le développeur peut configurer les paramètres de mise en forme des signaux pour répondre aux caractéristiques spécifiques d'un canal particulier.

Le PTN36043BXY de NXP Semiconductors est un exemple de redriver USB 3.0 contemporain. Cette puce est un commutateur actif 2:1 compact, basse consommation et à 2 canaux différentiels, avec un redriver USB 3.0 intégré. Le commutateur peut diriger deux signaux différentiels vers l'un des deux emplacements et présente une conception qui réduit la diaphonie (Figure 3).

Figure 3 : Le redriver USB 3.0 de NXP Semiconductors intègre l'accentuation, l'égalisation, le gain CC et le contrôle d'excursion de sortie. Un contrôle séparé est requis pour les lignes de transmission et de réception, car les caractéristiques de câble varient dans chaque direction. Étant donné que ce redriver est conçu pour être utilisé avec des connecteurs USB Type-C, il comprend deux paires torsadées de transmission et de réception du côté du connecteur. (Source de l'image : NXP Semiconductors)

Le redriver USB 3.0 de NXP permet au développeur d'ajuster l'accentuation/la désaccentuation, l'égalisation et l'excursion de sortie pour chaque canal (de l'hôte USB au redriver et du redriver au périphérique). En outre, il permet de compenser l'atténuation du câble en augmentant le gain CC.

Chaque canal est relié à deux broches de commande, ce qui permet au concepteur de sélectionner les paramètres de mise en forme des signaux pour une configuration donnée. Le développeur peut sélectionner parmi neuf combinaisons de mise en forme des signaux pour les lignes de transmission (TX) et de réception (RX) de chaque canal (Tableau).

Tableau : Lorsqu'il utilise le redriver de NXP, le développeur peut choisir parmi neuf paramètres de mise en forme des signaux pour les lignes de transmission (TX) et de réception (RX) sur le canal entre l'hôte USB et le redriver. Les mêmes options sont disponibles pour le canal entre le redriver et le périphérique. (Source du tableau : NXP Semiconductors)

Évaluer les conceptions de redriver

L'évaluation d'un prototype dans différentes conditions de fonctionnement est nécessaire pour déterminer les meilleures options d'accentuation, d'égalisation, de gain CC et de contrôle d'excursion de sortie. La tâche du concepteur est simplifiée grâce aux divers kits d'évaluation disponibles.

Par exemple, Texas Instruments propose le module d'évaluation (EVM) de redriver USB 3.0 USB-REDRIVER-EVM (Figure 4). Ce module est basé sur le redriver USB 3.0 à un canal 3,3 V TUSB501DRFR de la société.

Figure 4 : Le module d'évaluation de redriver USB 3.0 de TI permet aux développeurs de tester différentes configurations pour optimiser l'intégrité du signal de leur conception. (Source de l'image : Texas Instruments)

Lorsque le système USB est actif, le TUSB501 effectue périodiquement des opérations de détection de récepteur au niveau de la paire TX. S'il détecte un récepteur SuperSpeed USB, la terminaison RX est activée et le TUSB501 peut alors réacheminer le signal.

La puce comprend un égalisateur de récepteur avec trois paramètres de gain (3, 6 et 9 dB), contrôlés par la broche « EQ ». La puce prend également en charge la désaccentuation et l'excursion de sortie sur les broches « DE » et « OS ». Les valeurs de désaccentuation dépendent de l'option choisie pour l'excursion de sortie. En définissant l'excursion de sortie sur « faible », il est possible de définir la désaccentuation entre 0 et -6,2 dB. En la définissant sur « élevée », le module d'évaluation prend en charge la désaccentuation entre -2,6 et -8,3 dB.

Le module d'évaluation se présente sous forme de clé USB et abrite deux redrivers TUSB501 (ainsi qu'un troisième redriver USB 2.0). La clé est alimentée par la broche V_BUS de l'hôte USB et transmet la tension d'alimentation au port en aval afin d'alimenter un dispositif périphérique.

L'un des redrivers TUSB501 du module d'évaluation augmente les lignes TX de l'hôte, tandis que l'autre se charge des lignes RX. Les valeurs d'égalisation et de désaccentuation par défaut sont configurées à un niveau typique pour la transmission et la réception sur un système USB 3.0 utilisant un câble de 3 m à 5 m et une piste de carte associée de 20 cm à 25 cm. Le gain CC est implémenté en choisissant une résistance adéquate.

Le module d'évaluation permet au développeur de tester l'impact des modifications des paramètres de configuration des redrivers sur l'intégrité du signal des paires TX et RX d'un système USB haute vitesse. Le module d'évaluation sert également de conception de référence pouvant être modifiée pour s'adapter à n'importe quelle application. Il est équipé de connecteurs USB Type-A mâles et femelles.

Tester un système avec une connexion de redriver USB

Lorsque vous testez un système physique, n'oubliez pas que le redriver modifie le signal USB et contribue donc à la gigue du système. Il convient de mesurer cette gigue afin de vérifier son impact sur la configuration de mise en forme des signaux.

TI recommande d'utiliser un système de test doté d'un câble de 3 mètres et d'une carte à circuit imprimé USB hôte avec des pistes de 61 cm (24 pouces), en plaçant le redriver à 10 cm (4 pouces) du connecteur. À l'extrémité du câble, le dispositif périphérique est représenté par une carte à circuit imprimé avec des pistes mesurant de 2,5 cm à 15 cm (1 à 6 pouces) (Figure 5).

Figure 5 : Configuration du test de gigue pour USB haute vitesse avec des redrivers TUSB501. La configuration reproduit une application telle qu'un PC connecté à un lecteur Flash périphérique à l'aide d'un câble de 3 m. (Source de l'image : Texas Instruments)

Une conception idéale n'entraînerait aucune gigue, en s'assurant d'appliquer intégralement la technique de compensation (comme la désaccentuation) immédiatement après la transition élevée-faible/faible-élevée. Étant donné que ce n'est pas réalisable, TI recommande de créer une conception pour limiter la gigue de manière à ce que la pleine compensation soit appliquée dans un délai de 200 ps de la transition (Figure 6).

Figure 6 : La gigue dans un système USB haute vitesse avec redrivers doit être limitée de manière à ce que la pleine compensation soit appliquée dans un délai de 200 ps de la transition du signal. (Source de l'image : Texas Instruments)

Conclusion

À l'origine, la technologie USB 3.0 était destinée aux câbles d'une longueur maximale de 2 m, mais de nombreuses applications modernes utilisent des câbles plus longs. En raison de la signalisation haute fréquence de cette technologie, l'utilisation de câbles de plus de 3 m introduit des problèmes d'intégrité des signaux pouvant compromettre le débit. Les redrivers USB 3.0 compacts et peu coûteux offrent une solution relativement simple qui permet au développeur d'ajouter une égalisation, une accentuation et un gain CC pour amplifier le signal USB haute vitesse.

Comme indiqué ici, les fournisseurs de puces proposent désormais des modules d'évaluation basés sur des redrivers qui permettent de tester facilement le dispositif cible dans l'application envisagée. Les fiches techniques fournissent des informations sur la configuration des composants et de la carte à circuit imprimé, permettant d'utiliser le module d'évaluation en tant que conception de référence pour le produit final.