Redrivery i retimery – różnice i perspektywy
| TechnikaW aplikacjach przetwarzania analogowo-cyfrowego i cyfrowo-analogowego spotykamy malutkie układy scalone, mające często zaledwie 3 wyprowadzenia. Mimo swej pozornej prostoty odgrywają kluczową rolę w procesie przetwarzania. Mowa o źródłach napięcia referencyjnego dla przetworników ADC i DAC.
Najczęstszym powodem spadku jakości sygnału jest jego tłumienie. Jest większe w przypadku komponentów o wysokiej częstotliwości niż niskoczęstotliwościowych. Tłumienie powoduje zmniejszenie amplitudy sygnału i zniekształcanie impulsów, co skutkuje interferencjami międzysymbolowymi. Pozostałe czynniki, które wpływają negatywnie to: niedopasowanie impedancji złącza, powodujące odbicia sygnału, przesłuchy od wysokoczęstotliwościowych zaburzeń ze źródeł w pobliżu i szumy wprowadzające losowy jitter, powodujący błędy fazy i synchronizacji sygnałów.
Bloki funkcyjne redriverów
Rolą układu redrivera jest zrekompensowanie strat z powodu tłumienia sygnału. To uzyskuje się w nim przez skorygowanie oraz wzmocnienie sygnału. Wykorzystanie redrivera jest najprostszym i najbardziej opłacalnym sposobem na poprawę jakości transmisji. Z drugiej jednak strony wraz z sygnałem wzmacnia on też szumy i chociaż redukuje jitter, może się także okazać jego źródłem. Dalej charakteryzujemy główne bloki funkcyjne typowego redrivera i szerzej jego ograniczenia. Na rysunku 1 przedstawiono schemat blokowy redrivera. Jego główne komponenty to: sekcja CTLE (Continuous Time Linear Equalizer), wzmacniacz z regulowanym wzmocnieniem i wzmacniacz stopnia wyjściowego, dopasowujący impedancję do impedancji linii transmisyjnej. Realizowana po stronie odbiorczej redrivera sekcja CTLE odpowiada za wyrównanie amplitud składowych wysoko- oraz niskoczęstotliwościowych przez silniejsze wzmocnienie tych pierwszych, które skompensuje większe straty w tych komponentach widma sygnału. Dzięki temu sygnał ma jednolitą charakterystykę częstotliwościową w całym zakresie.
Przegląd ograniczeń redriverów
Sekcja CTLE zwykle jest implementowana w postaci filtru o skończonej odpowiedzi impulsowej. Kolejny blok, wzmacniacz typu VGA (Variable Gain Amplifier), wzmacnia amplitudę sygnału. Oprócz tego częścią redrivera są detektory: sygnału wejściowego, szumów i sygnału na wyjściu.
Wyróżnić można trzy najważniejsze ograniczenia tytułowych układów. Pierwsze dotyczy kwestii szumów. Jak wiadomo, oryginalny sygnał z nadajnika charakteryzuje wysoki współczynnik sygnału do szumu. Niestety jest on transmitowany stratnym kanałem, a ponadto w redriverze sekcje CTLE i wzmacniacz również charakteryzuje nieunikniony poziom szumów własnych. Zaburzenia te zostają niestety w redriverze wzmocnione, zmniejszając jego pozytywny wypadkowy wpływ na jakość sygnału, który jest przetwarzany w odbiorniku. Następna kwestia to fakt, że w praktyce nie ma możliwości tak precyzyjnego dostrojenia sekcji CTLE, by całkowicie zniwelować interferencje międzysymbolowe. Redrivery nie są również w stanie odtworzyć szerokości oka, czyli odstępu czasowego między dwoma punktami krzyżowania się przebiegu na wykresie oczkowym ani też jitteru, dodatkowo pogarszając obydwa parametry.
Czym jest retimer?
Retimer to przeważnie układ scalony wykonany w technologii mieszanej (mixed signal), zbudowany z bloków funkcyjnych analogowych i cyfrowych. Oprócz sekcji korygującej jego częścią jest także blok odzyskiwania sygnału taktującego. Dzięki temu retimer niweluje nie tylko interferencje międzysymbolowe, ale również losowy jiter, przesłuchy i odbicia. Poza tym retimer powinien obsługiwać konkretny protokół transmisji lub kilka z nich. Jest to wymagane, by był w stanie, po odtworzeniu sygnału zegara i danych, retransmitować ich kopię taktowaną "czystym" sygnałem zegara.
Najważniejsze bloki funkcyjne retimera to więc, poza sekcją CTLE, wzmacniaczem z regulowanym wzmocnieniem i wzmacniaczem stopnia wyjściowego dopasowującym impedancję do impedancji linii transmisyjnej oraz detektorów: sygnału wejściowego, szumów i sygnału na wyjściu, które znajdują się w redriverze, także: układy LTE (Long- Tail Equalizer), DFE (Decision Feedback Equalizer), CDR (Clock Data Recovery) i sekcja cyfrowa, odpowiadająca za implementację protokołu transmisji. Układ LTE/CLTE kompensuje tłumienie sygnału, a DFE to korektor nieliniowy tłumiący interferencje międzysymbolowe. CDR to z kolei wspomniany blok odtwarzania sygnału taktującego, kompensujący zmiany opóźnień fazowych i losowy jitter oraz eliminujący dodatkowo ten deterministyczny (rys. 2, rys. 3).
W uproszczeniu zatem redriver wyłącznie wzmacnia sygnał, podczas gdy retimer odtwarza dane i sygnał zegara, a następnie wysyła ich wzmocnioną kopię bez zniekształceń (rys. 4). Redrivery są zwykle używane do kompensacji strat w kanale do 20 dB. Jeżeli występuje silniejsza degradacja sygnału albo jego zniekształcania z powodu jitera, odpowiedniejszy jest retimer, który może skompensować straty rzędu 30–35 dB i usunąć jitter.
Koniec ery redriverów, czas na retimery!
Specyfikacja USB 1.0 została wydana w 1996 roku, a USB 2.0 w 2000. Choć redrivery nie były początkowo częścią standardu, korzyści, jakie zapewniały w zakresie zwiększenia zasięgu i kompatybilności napięciowej, sprawiły, że wkrótce stały się niezbędne. Wraz z wydaniem specyfikacji USB 3.0, co nastąpiło w roku 2010, wyzwań w zakresie integralności sygnałowej w transmisji przez interfejs USB jeszcze przybyło.
To sprawiło, że na rynek wprowadzone zostały ulepszone, dedykowane temu zastosowaniu, redrivery. Potrzeba ta utrzymała się w przypadku USB 3.1 i Superspeed+ 10 Gb/s. Specyfikacja USB 3.2, która wprowadziła pracę w trybie multi-lane przez interfejs USB-C, dodatkowo zwiększyła liczbę aplikacji dla redriverów. W 2019 roku opublikowano specyfikację USB4, która zwiększyła prędkość transmisji do 20 Gb/s (40 Gb/s w multi-lane). Ponieważ przy szybkościach powyżej 10 Gb/s korzystanie z redriverów wiąże się ze zbyt wieloma wyzwaniami, wraz z ogłoszeniem specyfi- kacji USB4 uznano, że era redriverów w USB dobiegła końca. Dowodem na to jest fakt, że uwzględniono to w dokumentacji ostatniej wersji tego standardu, definiując w niej obsługę retimerów. Dzięki temu USB4 stało się jedną z ich obecnie bardziej perspektywicznych aplikacji.
Podsumowanie
Na koniec warto dodać, że retimerom zarzuca się m.in. większy pobór mocy niż w redriverach. Ten aspekt jest jednak regulowany w specyfikacji USB4 i zarówno retimery, jak i redrivery do tego zastosowania muszą spełniać przedstawione tam wymogi. Oprócz tego retimery zwiększają złożoność projektu oraz wpływają na jego cenę. To drugie jest rekompensowane lepszą jakością sygnału oraz w przypadku retimerów kompatybilnych z wieloma protokołami transmisji większą elastyczność projektową. Zarzuca się im również to, że wprowadzają opóźnienia i zajmują za dużo miejsca na PCB – te aspekty użytkowe mogą wyróżniać lub dyskryminować konkretne modele. Tu warto zaznaczyć, że jak na razie nie ma w tym zakresie jednak zbyt dużego wyboru – retimery dla USB4 produkuje zaledwie kilka firm. Ponieważ jednak nie ma już odwrotu i przyszłość USB4 i innych szybkich protokołów zdefiniowanych dla USB-C zależeć będzie od dostępności retimerów, można oczekiwać, że monopol na tym rynku już długo nie potrwa.
Monika Jaworowska
