Uso de recontroladores para extender el rango de los cables USB 3.0 de alta tasa de producción

Colaboración de Editores de Digi-Key de América del Norte

Las versiones más recientes de USB ofrecen velocidades de hasta 2.5 Gbytes/s, siempre y cuando el host y el periférico se encuentren cerca. En aplicaciones donde el USB se usa en distancias más largas, los diseñadores deben encontrar una manera de compensar la degradación de la señal para mantener las velocidades de datos indicadas para los USB.

A pesar de que es posible implementar las técnicas de ganancia de CC, énfasis y ecualización, los diseñadores pueden aumentar el éxito y reducir el período de comercialización con los recontroladores USB. Estos son dispositivos integrados que incluyen todos los aparatos electrónicos requeridos para abordar la degradación de la señal.

Este artículo describe el funcionamiento del recontrolador antes de presentar algunos dispositivos de muestra y cómo aplicarlos.

El USB puede extenderse, pero con un costo

Al planear las especificaciones del USB, se asumió que solo se realizarían conexiones entre dispositivos separados por poco metros, como entre una computadora y un disco duro externo. La especificación USB 3.0 indica que la longitud del cable debe limitarse a 3 metros para mantener la integridad de la señal. Sin embargo, tal es el éxito de la tecnología USB que ahora se usa para aplicaciones que, por razones prácticas, deben usar cables más largos. Algunos ejemplos incluyen conectar un servidor con paneles de pantalla montados en una tienda grande.

Desafortunadamente, los cables más largos combinados con señales de alta frecuencia comunes a versiones de USB de alta velocidad presentan desafíos de integridad de señal tales como pérdida de inserción, diafonía, ISI (interferencia entre símbolos) y una baja en la tasa de producción posterior.

El diseñador del sistema USB puede recurrir a diversas técnicas para superar la degradación de la señal. Por ejemplo, se pueden usar la ecualización y el énfasis para limitar el efecto de la pérdida de la inserción del canal y la ISI. Además, estimular la ganancia de CC ayuda a superar las pérdidas debido a la diafonía.

Sin embargo, el diseño de circuitos de acondicionamiento de señales aumenta la complejidad del sistema USB, y el desafío se vuelve más difícil debido a que la tecnología USB usa pares de señales separadas para la transmisión y la recepción, lo que duplica el circuito necesario. El diseñador se ve beneficiado por los recontroladores USB.

Causas de la degradación de la señal

Los problemas de degradación de la señal que representan desafíos para los USB rápidos no son exclusivos de la tecnología; los diseñadores de todos los productos que implementan enlaces de comunicación de alta velocidad los conocen bien. Asimismo, no son exclusivos de las instalaciones USB con cables largos, pero, debido a que la degradación de la señal es menor en los cables cortos, no representa un problema tan grande.

La degradación de la señal en los sistemas de comunicación de alta velocidad se debe principalmente a una combinación de pérdida de inserción, diafonía e ISI.

La pérdida de inserción es el resultado de la atenuación de la potencia de la señal causada por el cable. La pérdida es proporcional a la longitud del cable. La diafonía es el “acoplamiento” capacitivo, inductivo o conductivo de portadores de señal adyacentes que degrada la integridad de la señal en ambos. La ISI ocurre cuando un símbolo (la señal discreta que transporta datos y se repite según la frecuencia del portador) interfiere con el símbolo anterior, lo que provoca un aumento de ruido y distorsión. La ISI es proporcional tanto a la frecuencia del portador (debido a que la brecha de tiempo entre señales disminuye a frecuencias más altas) como a la longitud del cable (debido a que la SNR [relación señal-ruido] disminuye en cables más largos). El ruido es la parte de la señal que no transporta información útil.

Los sistemas USB de alta velocidad también incluirán cierta cantidad de fluctuación aleatoria y determinista, definida aquí como una pequeña desviación de la periodicidad nominal de la señal, lo que puede comprometer la integridad de la señal. Mientras más alta sea la frecuencia de comunicación del sistema, mayor será el impacto de la fluctuación.

Superación de la degradación de la señal

Es inevitable que exista un poco de degradación de la señal en sistemas de comunicación de alta velocidad, pero esto solo se convierte en un problema cuando la SNR disminuye de tal forma que el receptor no puede decodificar parte de los datos transmitidos. El resultado es una tasa de producción afectada y, en casos extremos, fallas en la comunicación.

Los ingenieros desarrollaron cuatro técnicas para impulsar la SNR (o implementar el “acondicionamiento de señales”) a fin de mejorar la tasa de producción en los sistemas de comunicación de alta velocidad:

  • El énfasis/de-énfasis implica ampliar las frecuencias transmitidas más propensas a verse afectadas por el ruido y luego desenfatizarlas en el receptor para reconstruir la señal original.
  • La ecualización utiliza el filtrado para garantizar la coincidencia de la señal recibida con las características de la frecuencia de la señal transmitida, lo que permite mantener eficazmente una respuesta de frecuencia plana a lo largo de toda la longitud del cable.
  • La ganancia de CC compensa la atenuación lineal de un cable de determinada longitud.
  • El control de oscilación de salida habilita la configuración del voltaje diferencial del USB para garantizar que el cumplimiento del requisito de especificaciones de 0.8 a 1.2 voltios.

La optimización de la comunicación para una configuración en particular requiere pruebas exhaustivas para determinar la cantidad de ecualización, énfasis, ganancia de CC y control de oscilación de salida necesaria para una variedad de condiciones de funcionamiento. Por ello, esta información se puede utilizar para alterar de forma adaptativa cada parámetro durante el funcionamiento a fin de mantener la señal ideal. Sin embargo, el acondicionamiento adaptable de señales es poco práctico para todos los sistemas de comunicación, excepto los más críticos.

El acondicionamiento pasivo de señales, mediante el cual una única configuración cumple con todas las condiciones de funcionamiento, sí logra resultados razonables por un costo mucho más bajo. La desventaja es que no garantiza condiciones óptimas en todo momento. Los diseñadores pueden garantizar la satisfacción del cliente proporcionando un cable de una longitud específica, que se haya probado para el uso con el diseño en cuestión, o especificando una longitud de cable máxima.

Se requiere el acondicionamiento de señales para el host USB (microprocesador) al canal del recontrolador, y para el recontrolador al canal periférico (por medio del conector y del cable). Generalmente, se requieren parámetros de acondicionamiento de señales distintos para cada lado.

Diseño de un recontrolador

Los recontroladores USB son una manera conveniente y relativamente económica de implementar un acondicionamiento de señales transparente (sin efectos en la transferencia de datos) en un canal USB. Productos como el PI3EQX1001XUAEX de Diodes Incorporated, un recontrolador lineal USB 3.1 de 1 canal y 10 Gbit/s, restablece una señal USB de alta velocidad en su condición original antes de que el dispositivo de punto final la reciba (Figura 1).

Imagen del recontrolador USB PI3EQX1001XUAEX de Diode Incorporated

Figura 1: los recontroladores USB como el PI3EQX1001XUAEX de Diode Incorporated son una manera conveniente de restaurar la integridad de la señal en cables largos. (Fuente de la imagen: Diodes Incorporated)

Debido a que los recontroladores permiten una amplia gama de parámetros de configuración, el chip se puede montar en la placa CI USB, tan cerca del conector como sea posible, o en el extremo del cable, cerca al conector del periférico o dispositivo de punto final (como se muestra en la Figura 1). Sin embargo, la mayoría de las aplicaciones utilizan el recontrolador en el extremo USB del host del cable.

Se deben diseñar las trayectorias de la placa para cumplir con las pautas de las mejores prácticas para el diseño de señal de alta velocidad. Por ejemplo, las trayectorias deben ser pares diferenciales, coincidentes y con impedancia controlada. El enrutamiento debe evitar el uso de vías y esquinas afiladas (manténgalas a 135º o más), y las trayectorias deben anexarse a un plano a tierra sólido sin cortes ni grietas para prevenir las discontinuidades de impedancia (Figura 2).

Diagrama de las trayectorias que conectan el host USB al recontrolador y conector

Figura 2: las trayectorias que conectan el host USB al recontrolador y al conector deben adoptar las mejores prácticas de diseño de señales de alta velocidad. Por ejemplo, se deben restringir las esquinas a 1350 para limitar la interferencia. (Fuente de la imagen: Texas Instruments)

Una vez que se hayan ensamblado los componentes y la placa CI, el desarrollador puede configurar los parámetros del acondicionamiento de señales para cumplir con las características específicas de un canal en particular.

Un ejemplo de un producto contemporáneo es el recontrolador USB 3.0 PTN36043BXY de NXP Semiconductors. Este chip es un interruptor activo 2 a 1, compacto, de dos canales diferenciales y baja potencia con un recontrolador USB 3.0 integrado. El interruptor puede dirigir dos señales diferenciales hacia una o dos ubicaciones y presenta un diseño que minimiza la diafonía (Figura 3).

Diagrama del recontrolador USB 3.0 de NXP Semiconductors

Figura 3: el recontrolador USB 3.0 de NXP Semiconductors integra el énfasis, la ecualización, la ganancia de CC y el control de oscilación de salida. Se requiere un control separado para las líneas de transmisión y recepción debido a que las características del cable varían en cada dirección. Como este recontrolador se diseñó para el uso con conectores USB Type-C, presenta una transmisión doble y recibe pares trenzados en el lado del conector. (Fuente de la imagen: NXP Semiconductors)

El recontrolador USB 3.0 de NXP le permite al desarrollador ajustar el énfasis/de-énfasis, la ecualización y el control de oscilación para cada canal (host de USB a recontrolador y recontrolador a periférico). Además, el dispositivo permite la compensación por atenuación de cable estimulando la ganancia de CC.

Cada canal se conecta a dos pines de control, lo que le permite al diseñador seleccionar los parámetros de acondicionamiento de señales para una configuración determinada. El desarrollador puede elegir entre nueve combinaciones de acondicionamiento de señales para las líneas TX/RX de cada canal (Tabla).

CH1_CONFIGURACIÓN1 CH1_CONFIGURACIÓN2 RX_AP_± De-énfasis RX_AP_± Oscilación de salida TX_AP_± Ecualizador
BAJO BAJO -3.9 dB 1100 mV 3.0 dB
ABIERTO -3.5 dB 900 mV 3.0 dB
ALTO 0 dB 1100 mV 3.0 dB
ABIERTO BAJO 0 dB 900 mV 3.0 dB
ABIERTO -3.9 dB 1100 mV 0 dB
ALTO -3.5 dB 900 mV 0 dB
ALTO BAJO 0 dB 1100 mV 0 dB
ABIERTO 0 dB 900 mV 0 dB
ALTO -5.3 dB 1100 mV 6.0 dB

Tabla: el desarrollador puede elegir entre nueve parámetros de acondicionamiento de señales para las líneas TX/RX en el canal de host de USB a recontrolador al usar el recontrolador de NXP. Existen opciones similares para el canal de recontrolador a periférico. (Fuente de la tabla: NXP Semiconductors)

Evaluación de los diseños del recontrolador

La evaluación de un prototipo dentro de una gama de condiciones de funcionamiento es necesaria para identificar las mejores opciones de énfasis, ecualización, ganancia de CC y control del oscilación de salida. La disponibilidad de kits de evaluación facilita la tarea del diseñador.

Por ejemplo, Texas Instruments ofrece el EVM (módulo de evaluación de recontrolador) USB 3.0 USB-REDRIVER-EVM (Figura 4). El módulo se basa en el recontrolador USB 3.0 TUSB501DRFR de un solo canal y 3.3 voltios.

Imagen del EVM USB 3.0 de Texas Instruments

Figura 4: el EVM USB 3.0 de TI (Texas Instrument) permite que los desarrolladores experimenten con una gama de configuraciones para optimizar la integridad de la señal del diseño en cuestión. (Fuente de la imagen: Texas Instruments)

Cuando el sistema USB está activo, el TUSB501 realiza periódicamente una detección del receptor en el par TX. Si detecta un receptor USB SuperSpeed, se habilita la terminación RX y el TUSB501 está listo para el recontrol.

El chip presenta un ecualizador de receptor con tres configuraciones de ganancia (3, 6 y 9 dB), controlados por el pin de “EQ”. El chip también es compatible con la oscilación de salida y el de-énfasis en los pines “DE” y “OS”. Los valores del de-énfasis dependen de la selección de oscilación de salida. Con la oscilación de salida configurada en “bajo”, se puede configurar el de-énfasis entre 0 y -6.2 dB. Cuando se configura en “alto”, el EM es compatible con el de-énfasis entre -2.6 a -8.3 dB.

El EVM está disponible un dongle de USB e incluye dos de los recontroladores TUSB501 (además de un tercer recontrolador USB 2.0). El dongle se alimenta de un pin VBUS del host de USB y pasa el voltaje de suministro al puerto descendente para alimentar un dispositivo periférico.

Uno de los recontroladores TUSB501 del EM impulsa las líneas TX del host mientras que el otro se encarga de las líneas RX. Los valores predeterminados de ecualización y de-énfasis se establecen en valores que se encuentran generalmente en la transmisión y la recepción de un sistema USB 3.0 que usa un cable de una longitud de 3 a 5 m y una trayectoria de placa relacionada de 20 a 25 cm. La ganancia de CC se implementa seleccionando un resistor adecuado.

El EVM le permite al desarrollador probar cómo los cambios de los parámetros de la configuración de los recontroladores afectan la integridad de la señal de los pares TX y RX de un sistema USB de alta velocidad. El EVM también sirve como un diseño de referencia que puede modificarse para cualquier aplicación planeada. Está equipado con conectores y receptáculos USB Type-A.

Prueba de un sistema con una conexión de recontrolador USB

Al probar un sistema físico, es importante recordar que el recontrolador modifica la señal USB y, por la tanto, introduce su propia contribución a la fluctuación del sistema. Se debe medir esta fluctuación para verificar el impacto que tendrá en una configuración de acondicionamiento de señales.

TI recomienda un sistema de prueba con un cable de 3 metros y una placa CI de USB de host con trayectorias de 24 pulgadas, con el recontrolador colocado a 4 pulgadas del conector. En el extremo del cable, el dispositivo periférico se ve representado por una placa CI con trayectorias que miden de 1 a 6 pulgadas (Figura 5).

Imagen de configuración de pruebas de fluctuaciones para un USB de alta velocidad usando recontroladores TUSB501 de Texas Instruments.

Figura 5: configuración de pruebas de fluctuaciones para un USB de alta velocidad usando recontroladores TUSB501. La configuración reproduce una aplicación como una PC conectada a una unidad de memoria periférica mediante un cable de 3 metros. (Fuente de la imagen: Texas Instruments)

Un diseño ideal mostraría una ausencia de fluctuaciones, lo que garantizaría que la compensación como el de-énfasis se aplique completamente justo después de la transición de alto a bajo/de bajo a alto. Ya que esto es poco práctico, TI recomienda un diseño que limite la fluctuación de modo que se aplique una compensación completa dentro de los 200 picosegundos (ps) posteriores a la transición (Figura 6).

Gráfico de fluctuaciones en un sistema USB de alta velocidad que usa recontroladores

Figura 6: las fluctuaciones en un sistema USB de alta velocidad que usa recontroladores deben limitarse de manera que se aplique una compensación completa dentro de los 200 ps posteriores a la transición de la señal. (Fuente de la imagen: Texas Instruments)

Conclusión

En su forma original, el USB 3.0 estaba destinado a cables con una longitud máxima de 2 m, pero muchas aplicaciones modernas usan cables más largos. Debido a las señales de alta frecuencia de la tecnología, extender la longitud de los cables más allá de 3 m presenta problemas de integridad de la señal que pueden poner en riesgo la tasa de producción. Los recontroladores USB 3.0 económicos y compactos ofrecen una solución relativamente simple al permitir que los desarrolladores agreguen ecualización, énfasis y ganancia de CC para impulsar la señal USB de alta velocidad.

Tal como se describió, actualmente los proveedores de silicio ofrecen EVM ya listos basados en recontroladores que facilitan la prueba del dispositivo objetivo en la aplicación propuesta. Las hojas de datos incluyen información del diseño de la placa CI y los componentes, lo que permite que se use el EVM como un diseño de referencia para el producto final.

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