大家好，我是廣元兄。很高興和大家分享信號完整性的相關(guān)知識。希望大家點贊，分享。有什么問題加微交流學(xué)習(xí)，微信號【SI_Basic】。

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這是一份2008年的文檔，繼2000年USB2.0的規(guī)范文檔，8年之后，出了USB3.0。

文檔部分，協(xié)議層，鏈路層，物理層部分和USB2.0的基礎(chǔ)知識大體相同。

物理層用于每條差分鏈路都是通過使能接收器終端阻抗進行初始化的。發(fā)送器負責(zé)檢測遠端接收器終端阻抗(還記得USB2.0識別全速和低速的1.5KΩ電阻嗎)，作為總線連接的指示，并通知鏈路層，從而連接狀態(tài)可以被納入鏈路操作和管理。

物理層從鏈路層接收8位數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)加擾以降低EMI的放射。接著將加擾過的8位數(shù)據(jù)編碼成10位，用于通過物理鏈路傳輸。數(shù)據(jù)被接收器從差分鏈路恢復(fù)，解碼并解擾，又生成8位數(shù)據(jù)，然后被送給鏈路層進行進一步處理。

鏈路層除了處理物理層的信息，還向協(xié)議層提供了一個恰當?shù)慕涌冢糜趨f(xié)議層包信息交換。

編碼方式

上面提到的8位和10位，這就是USB3.0和2.0的編碼方式不同之處。

USB2.0編碼方式為NRZI 非歸零反相編碼:

USB3.0編碼方式8b/10b:

將一組連續(xù)的8位數(shù)據(jù)分解成兩組數(shù)據(jù)，一組3位，一組5位，經(jīng)過編碼后分別成為一組4位的代碼和一組6位的代碼，從而組成一組10位的數(shù)據(jù)發(fā)送出去。相反，解碼是將1組10位的輸入數(shù)據(jù)經(jīng)過變換得到8位數(shù)據(jù)位。數(shù)據(jù)值可以統(tǒng)一的表示為DX.Y或KX.Y，其中D表示為數(shù)據(jù)代碼，K表示為特殊的命令代碼，X表示輸入的原始數(shù)據(jù)的低5位EDCBA，Y 表示輸入的原始數(shù)據(jù)的高3位HGF。

原本8位的字節(jié)用10位來表示，會使8b/10b編碼的帶寬利用率并不高。但許多高速串行總線采用這樣的編碼機制，如Serial ATA、PCI Express等。當然，后面為了提高效率和速度，USB3.2采用了128b/132b編碼機制。

文檔的附錄部分，給出8b/10b數(shù)字類型編碼的相關(guān)信息：

至于USB3.0如何兼容USB2.0的不同編碼方式和USB3.0為何不用NRZI，這些不做展開。

線纜部分

USB3.0線纜的橫截面和USB2.0最大區(qū)別，除了1組線：UTP(Unshielded twist pair)信號對，多了兩組SDP(Shielded Differential Pair)屏蔽差分信號對。

• SDP信號的差分特性阻抗：90+/-7Ω，不是+/-10%
• 匹配連接器的差分阻抗應(yīng)該在 90 Ω +/-15Ω 之內(nèi)
• SDP信號對間偏移量(intra-pair skew)建議應(yīng)小于 15 ps/m
• SDP信號插損標準:

損耗標準和線規(guī)AWG有關(guān)，AWG前面的數(shù)值（如24AWG、26AWG）表示導(dǎo)線形成最后直徑前所要經(jīng)過的孔的數(shù)量，數(shù)值越大，導(dǎo)線經(jīng)過孔的等級越高，導(dǎo)線的直徑也就越小。

線纜組件插入損耗的標準：

相互之間串擾的標準：

線纜還有一些性能標準：

插入力、拔出力、耐久性、剝落強度(垂直方向用至少150N的力)、扳扭強度、軸連續(xù)性測試等。

測試部分

測試點的選擇，和USB2.0在發(fā)送端的連接器上有不同：

簡單列一下發(fā)送端和接收端測試電性能指標：

實際測試所用的測試夾具：

信號經(jīng)過產(chǎn)品的PCB和相關(guān)測試夾具之后，產(chǎn)生很大的衰減。USB3.0芯片接收端內(nèi)部會提供EQ均衡技術(shù)CTLE（連續(xù)時間線性均衡）功能補償高頻損耗。

下圖給出求出極點的傳遞函數(shù)和波形：

這里講一下測試用到的測試碼型LFPS。

LFPS(Low frequency periodic signaling)低頻周期信號，是USB3.0設(shè)備測試握手協(xié)商時的一種特殊脈沖，用于在鏈路上通信而不使用超高速信號（SuperSpeed signaling）。LFPS被用于指示初始化和電源管理信息。LFPS 相對容易生成和檢測， 且使用很少電源。

LFPS被用于處于低功耗鏈路狀態(tài)的鏈路的兩個端口之間進行帶通通信，它也被用在鏈路處于訓(xùn)練時，或者下游端口發(fā)送熱重啟重置鏈路時。

時鐘部分

時鐘恢復(fù)函數(shù)的恢復(fù)電路具有低通濾波特性。在恢復(fù)的時鐘與數(shù)據(jù)相比較（相減）后，總體時鐘恢復(fù)變成一個高通濾波特性。

拐角頻率和阻尼系數(shù)：

得出傳遞函數(shù)為2dB最大峰值。

之所以把時鐘部分單獨列出來，緣于PCIe串行鏈路同步時鐘的12ns等指標要求，而USB異步時鐘沒有提這些指標，在這里總結(jié)一些串行鏈路時鐘，等后面一起做個比較。

同樣，這里列了多個傳遞函數(shù)公式，等后面串行信號系列總結(jié)完，再學(xué)習(xí)下胡壽松《自動控制原理》，一并深入理解一下這些公式。

IR Drop的電壓跌落測試

USB3.0和USB2.0主機或集線器端口電壓4.75~5.25 V。

USB2.0給出設(shè)備最大負載電流為500mA，USB3.0給出的最大負載電流為900mA，而不是前文給出的經(jīng)驗值1A。

USB3.0終端設(shè)備最低電壓值為3.67V 。

之前說過，電壓壓降部分的難點在線纜部分，為了滿足設(shè)計要求，線纜給出了相關(guān)要求：

鏈路評估

既然線纜的標準有了，板材的標準可以參考經(jīng)驗，相關(guān)的規(guī)范標準也有了，是不是就可以針對USB3.0或者USB4.0做版圖設(shè)計的鏈路評估？后面系列文章再試著總結(jié)一下。

USB4規(guī)范文檔給出的相關(guān)標準：

中繼器(Repeater)：用于恢復(fù)因通道損耗而衰減的輸入信號的有源電路。

Repeater包含Re-driver和Re-driver。這兩者有分別：

重新驅(qū)動器 Re-driver：

模擬中繼器通過接收器和/或發(fā)射器均衡和增益調(diào)整在其自己的預(yù)定義損耗預(yù)算內(nèi)恢復(fù)衰減的輸入信號。由于Redriver沒有涉及協(xié)議相關(guān)的內(nèi)容，所以其兩端的設(shè)備在協(xié)議層相當于直通的。

重新定時器 Re-driver：

混合信號中繼器，用于通過時鐘數(shù)據(jù)恢復(fù)電路恢復(fù)衰減的輸入信號。內(nèi)部具有CDR功能，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的恢后再按照串行通道把信號發(fā)送出去。更好地減輕信號的抖動，同時實現(xiàn)更好的物理損耗的效果，但是復(fù)雜的Retimer也會增加更多的延時。

相關(guān)規(guī)范文檔給出的技術(shù)指標

上述的一些指標（損耗和長度）是基于平臺和一些理想情況得出的。信道不僅包括ISI（Inter-Symbol Interference），還包括NEXT（近端串擾）和FEXT（遠端串擾）形式的串擾噪聲。相關(guān)的基準是否符合規(guī)范需要測試驗證。