Eric Lan | Product Marketing of High Speed Media | Diodes.

USB、USB Type-C® 和 DisplayPort™ (DP) 数据线变得如此普遍，甚至在廉价便利店就能买到。但两条单独的数据线尽管可能有着相同的外观，性能和质量却可能有很大差异。低成本有可能代表产品质量较差，廉价的数据线除了会导致电子设备发生故障或数据损毁，通常还会导致画质变差，或是数据传输速率会降低至远低于最新 USB 规格 (USB 4) 所提供的数千兆比特带宽。

低成本数据线通常为被动式：不使用外部电源来传输数据。通过使用不同的金属材质、更厚的屏蔽和更好的接头制造被动式数据线。这些方法可以提高数据线的质量，但会提高成本，而且导致数据线变得更粗、更重。改善数据线性能的另一种方法是通过嵌入IC元件，让数据线成为主动式 (为数据线供电)，IC元件可在信号沿数据线传输时增强信号。主动式数据线有多个优点，性能甚至比高质量的被动式数据线更好，且能做得更细更长。数据线越细，越有弹性，且方便管理，占用的空间更少，而且不会阻碍电子设备背部的冷却空气流动。在本文中，我们比较了被动式数据线和主动式数据线的性能，告诉您如何轻松设计主动式数据线。

数据线规格

USB 开发者论坛 (USB-IF) 是专门发布 USB 和 USB Type-C 数据线速度与线材类型规格的组织。虽然该论坛并未规范最新一代 USB 的最长数据线长度，但表 1 中所示的长度目前是广泛使用的 USB、USB Type-C 和 DisplayPort 标准普遍接受的标准值。随着数据速率提高，最大数据线长度会减少，如果两台设备之间的距离大于可用于连接设备的数据线长度，可能会发生问题。尽管数据线可以串接 (最长至数据线标准支持的长度)，但这可能会导致信号衰减，因此需要使用通电的集线器来连接，但这可能无法做到。因此，最好使用整段长度仍符合规格的较长数据线。

表 1：常用 USB、USB Type-C 和 DisplayPort 标准的速度与被动式数据线长度

针对 USB 2.0、USB 3.2 Gen 1、USB 3.2 Gen 2、USB Type-C 和 DisplayPort1.4，其规格也定义了阻抗、偏斜、串扰、衰减、差分阻抗、比特误码率(BER)、抖动、插入损耗等模拟和数字参数。每项参数都会影响数据线在接收端提供有用信号的能力，而数据线参数对此能力有重大影响。

被动式数据线问题

长、细、低成本的数据线随处可得，虽然它们看起来可以正常使用，但数据线的性能却会大幅影响所承载信号的质量。图 1 显示以 5Gbps 速度运作的 USB 3.2 Gen 1 数据线的实验室测试设置。信号发生器建立并测量 5Gbps (时钟频率 2.5GHz)。测试中使用三米长 (USB 3.2 Gen 1 允许的最大长度) 的被动式数据线，差分阻抗为 96-104Ω，2.5GHz 时插入损耗为 -10dB。

图 1：使用三米长数据线的 2.5 GHz 测试设置。

图 2 显示此测试产生的眼图。首先，非常明显眼区几乎没有打开，这表示数据线在实际应用中的性能较差。其次，颜色显示眼图在较低 BER (单位时间错误较少) 的情况下张开度较小。这些结果显示，USB 3.2 Gen 1 数据线在 3Gbps速率下的性能不佳；此数据线具有非常高的 BER，可能不符合公认的规格。

图 2：三米长的被动式 USB 3.2 Gen 1 数据线的眼图，显示出高 BER

打造主动式数据线

克服 USB、USB Type-C 和 DP 数据线信号完整性挑战的解决方案，就是在数据线的发送端或接收端加入讯号中继器 (ReDriver) 或重定时器 (ReTimer)。

ReDriver是一种模拟放大器，可调节高频和差分信号，达到扩大眼图张开度的效果。有些ReDriver IC 也具有线路阻抗匹配功能，支持可编程增益，并有助于补偿线路损耗、阻抗不匹配和其他通道效应。Diodes 公司的 PI3EQX7741AI 就是一款适合 USB 3.2 Gen 1 产品应用的ReDriver。如图 3 所示，此双通道 5.0Gbps产品支持对两个 100Ω 差分 CML 数据 I/O 进行可编程均衡、去加重和输出摆幅控制。

图 3：Diodes 公司的 PI3EQX7741AI ReDriver

ReDriver内含时钟和数据恢复 (CDR) 电路，并通过检测数据流比特交换，自动把内部时钟锁定至流入的数据。CDR 电路通过去除 PLL 带宽中的抖动频率来降低输出抖动。因此，PI2DPT1021 (如图 4 所示) 和 PI2DPT821 等ReDriver能在 USB Type-C、USB 3.2 Gen 2、DP 1.4 Alt 模式和纯 DP 1.4 产品应用中发挥良好的抖动性能。

Diodes 的ReTimer也具备接收器自适应均衡功能，可满足长走线和短走线产品应用的需求。这个功能可为速度 5GHz 的信号传输提供高达 -23dB 的通道损耗补偿及抖动清除，无需本地参考时钟。PI2DPT1021 中整合了高速双向通道，可用于主动式数据线应用，因为两端接头相同，并且可根据需要用作下行接口 (DFP) 或上行接口 (UFP)。

图 4：Diodes 公司的 PI2DPT1021 ReTimer

PI3EQX7741AI ReDriver可用于 USB 3.2 Gen 1 数据线的发送端或接收端。图 5 显示上文使用的同一条三米数据线的两个测试情境。在左图中，ReDriver放在接收端 (数据线之后)，在右图中，ReDriver放在发送端 (数据线之前)。

图 5：USB 3.2 Gen 1 ReDriver放在主动式 USB 3.2 Gen 1 数据线的接收端 (左) 和发送端 (右)

每个测试的结果如图 6 所示。在每种情况下，ReDriver都明显扩大了眼图张开度。

USB 3.0 主动式数据线配置 (2.5GHz，三米)

图 6：主动式数据线的测试眼图

主动式数据线的优点

主动式数据线使用ReDriver或ReTimer IC 构成，与被动式数据线相比具有许多优点。主动式数据线可在更长的距离上达到更高的标准，且通常超过建议的规格。之所以能做到这点，是因为 PI3EQX7741AI 等ReDriver和 PI2DPT1021 等ReTimer可补偿信号衰减、抖动、频率偏斜、串扰和电磁干扰。因此，主动式数据线可使用更薄且成本更低的材料来构成，可以缩小尺寸。而且，这些更细的数据线更容易安装在狭小的空间中，让电子设备周围有更好的空气流动，使系统在更低的温度下更有效地运行。

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