高速串口技术如何突破板级连接限制

但在信号完整性上，USB4对系统设计提出了更大挑战。能否以比较便宜的板材，实现USB4传输速度，成为USB4普及初期所面临的考验。虚拟现实（VR）对显示技术的要求有多高？在硅谷数模半导体有限公司全球总部启动仪式暨IC高速连接及显示技术研讨会上，小派科技首席执行官翁志彬表示，要做到清晰不眩晕，虚拟现实产品至少要支持4K画质，所以对分辨率与刷新率的要求都极高，“现在的VR设备，PPI要支持1000以上，刷新率要到144Hz以上，以后的要求还会更高。”

高分辨率与高刷新率都对系统的数据带宽提出了更高要求。为满足不同显示设备的需求，行业里存在多种总线标准，如DisplayPort、HDMI、MIPI等，这些总线大都采用高速串行总线（SERDES）技术，近年来以SERDES为代表的高速I/O技术发展很快。是德科技资深技术顾问李凯表示，高速I/O总线的发展趋势有三点，即更高速率、更多通道、更复杂，从速度来看，大约每四五年翻一倍。2019年前后，USB4、PCIe5.0等高速I/O技术标准密集更新，这意味着，高速I/O接口速度将从单通道10Gbps以内，跳到单通道10Gbps以上。

以USB4为例，作为USB标准组织USB-IF在2019年8月底推出的新一代USB技术规范，USB4最高支持40Gbps传输速率，该速率可同时驱动两台4K显示器。USB4支持多种数据和显示协议（DisplayPort、PCIe等），可以有效共享最大带宽。此外，USB4还向后兼容 USB 3.2，USB 2.0 ，并支持Thunderbolt 3。用睿思科技现场应用总监David Lee的话说就是，在USB4时代，USB已经不只是传输数据的标准，而是打通了一条全新的高速公路，无论是音视频，还是其他格式的数据，都可以在这条路上走，“在物理层都用SERDES，USB4有望一统天下”。

USB4协议进一步降低了系统设计难度，只需要USB C口连接，就可以实现终端系统几乎全部的对外接口功能，大大降低了系统设计难度。但这是以增加芯片设计复杂度为代价而得到的，要支持USB4标准，芯片必然需要更复杂的信号调制机制，更复杂的预加重处理方法，也更难实现性能、功耗与成本的平衡。

但在信号完整性上，USB4对系统设计提出了更大挑战。能否以比较便宜的板材，实现USB4传输速度，成为USB4普及初期所面临的考验。

硅谷数模资深营销经理Joseph Juan曾撰文指出，高速信号在通过电缆或PCB传输时，衰减现象很严重，甚至会导致信号畸变。长度为25厘米至30厘米的传输线就会带来20dB或以上的通道插入损耗。此外，反射、串扰、噪声和散射都会导致信号完整性恶化，如果信号完整性下降太多，最终将无法在接收端成功复原传输的信号。

在研讨会上，硅谷数模资深系统总监肖勇也举例说明，智能手机从应用处理器到DisplayPort接口的PCB走线只有8到16厘米，但会给DisplayPort信号带来8到10dB的衰减，这时候通道速率只能从标准的8.1Gbps降为5.4Gbps，才能进行正确传输。

为减轻信号质量衰减，须在高速串行链路加入中继器，以恢复被损耗的信号质量，滤除随机噪声和系统噪声，使中继器后输出的信号满足规范要求。目前有两种类型的中继器，即时钟重建中继器（Retimer）与驱动重建中继器（Redriver）。时钟重建中继器既对来自上游的信号进行均衡以弥补传输线损耗，又利用时钟数据恢复（CDR）电路来恢复时钟，并以此来对每一位数据进行重整，最终将信号质量恢复的信号，传送至下游信道。驱动重建中继器只对上游信号进行均衡，并不包含CDR电路，所以不会进行时钟恢复与数据重整。

肖勇表示，相比Redriver，Retimer具有明显优势，例如自适应均衡、CDR与信号重整，可滤除随机抖动，可恢复整条链路损耗预算，在不影响数据传输质量的前提下可操作性最强，以及低功耗等。

在一个USB C线缆连接的案例中，假设其系统损耗预算为23dB，如果不加时钟重建中继器，那么一根80厘米的USB C线缆即有可能让系统损耗超过23dB。而加入时钟重建中继器，则可在全链路基本维持23dB的损耗裕量。

上述案例虽然是在USB 3.2或DisplayPort连接的基础上实现，但对USB4系统，原理是一样的。所以，在信号通道中部署时钟重建中继器，可以突破板级连接对高速串行总线的性能限制，在减少板级设计难度的基础上，实现高速串行连接新规格所标称的性能。