1 USB3.0十倍速的技術關鍵

　　第三代通用序列傳輸口（USB3.0）承襲USB的便利性及多樣性，一舉將傳輸速度提升十倍，且保有對于現存USB裝置的向下相容性，預期將迅速普及于個人電腦，消費電子，通訊等各式應用。現有的USB2.0纜線及連接器提供了四條信號線，包含VBus5V500mA直流供電，一對DP/DM半雙工雙向差分信號線，以及GND接地，以此四條接線提供了USB2.0的480Mbps的資料傳輸，及直流供電。USB3.0為了提供高達5Gbps的資料傳輸率，額外增加五條訊號線，包括兩對單向傳輸的超高速（SuperSpeed）差分訊號：SSTX+,SSTX-,SSRX+,SSRX-，及多一組的接地接點，并將直流供電能力提升至5V900mA。其中的兩對差分訊號分別負責傳輸及接收，提供雙向全雙工的5Gbps的傳輸能力。

圖1：USB3.0連接器，后排的USB3.0SuperSpeed信號接點。


 

圖2：USB3.0纜線示意圖，藍色部分為SuperSpeed5Gbps信號。

 

　　2  SuperSpeed5Gbps信號品質的系統設計及量測挑戰

　　USB3.0SuperSpeed位元傳輸率高達5Gbps，且采用開放式接口，信號品質將直接影響裝置相容性及傳輸效率，與使用者體驗息息相關。主控芯片、印刷電路板、連接器、纜線甚至裝置端芯片組，都是影響信號品質的關鍵。對于芯片廠商的類比傳輸設計能力，半導體制程變異，系統廠商的印刷電路設計布局都是全新的考驗。不同于USB2.0的經驗，信號品質的參考指標將不再只是傳輸端的眼圖（Eyediagram）。USB3.0獨立的傳輸及接收通道，系統接收能力也成為信號品質及系統設計的重要量測指標。接收端量測主要考驗待測物對不同頻率的時基誤差容忍能力。容忍能力越強的芯片，代表其系統設計可較寬松，可使用較長的信號走線，也有較佳的裝置相容性。

圖3：USB3.0SuperSpeed傳輸端信號量測眼圖（Eyediagram）

 

圖4：USB3.0接收量測結果。橫軸為時基誤差的頻率，縱軸為時基誤差的振幅。綠點表示位元錯誤率低于10-12的測試基準點。黑線為測試基準規范。

　　3 主機板及筆電的延伸設計

　　在USB2.0相當普遍的前端連接口，以內連接的方式連接主機板及主機外箱，提供使用者方便順手的熱插拔應用。USB3.0連接口勢必也將導入前板連接口的設計，額外的連接器及內部連接線，對于信號品質又是外加的考驗。

圖5：USB3.0內部連接口針腳定義。

　　此外在筆電設計中，普遍使用軟排線連接不同的子板，以配合輕薄的外型及機構設計。軟排線的阻抗控制，軟排線連接器的信號連續性，都不如印刷電路板及標準連接頭容易控制。這些都將是未來筆記型電腦中USB3.0連接口的設計挑戰。如何在不使用信號調整器（re-driver）的額外成本下，導入前板及軟排線等系統設計，又維持良好的5Gbps信號品質，成為重要的元件選擇關鍵。

圖6：USB3.0內部連接口及連接線

　　美商睿思科技的USB3.0主端控制芯片FL1009，因應前述不同系統設計挑戰，整合高效能類比實體設計，完整驗證不同系統設計需求。包含可容許長達23公分（9英寸）的線路布局長度，釋放系統設計在線路布局（layout）上的局限性，并允許長至45公分的前板USB3.0額外接線，且不需額外re-driver的成本，使系統商與板卡商得以創造最高性能的產品，并有效減少設計時間與成本。除此之外，FL1009也是全球第一顆支持xHCI1.0的SuperSpeedUSB主控端芯片，提供超高效能及絕佳相容性。