高速互聯(lián)中的ReDriver/Repeater和Retimer

發(fā)布時間：2022-03-18作者來源：薩科微瀏覽：11163

近段時間發(fā)了些科普文章，里面提到了PD, TYPE-C, GMSL/LVDS, TMDS等最小差分對信號。

網(wǎng)友間的聊天交流記錄：
"通常這么低的電壓都是處理稍微高速一點數(shù)字信號的"
“通常是這樣理解的，知道為什么嗎？”

“低壓器件速度會快一些，功耗正比于cv*2f”

“很好這里提到了C,也就是FET管子的充放電容，制程越低C會越小，消耗的焦耳數(shù)就會小一些。頻率越高,差值就顯著了”

“所以，我們看到的GMSL/LVDS，SerDES, TMDS等高速互聯(lián)都是采用的最小差分對的方式通信傳輸”

下面小編就針對高速互聯(lián)里常提到的ReDriver和Retimer詳細闡述

USB-REDRIVER-EVM USB 2.0 & USB 3.0 redriver evaluation module board image

背面放大的USB3.0的ReDriver Demo 示意

提到ReDriver和Retimer概念之前，我們需要及時復(fù)習(xí)一下 :)

信號完整性 SI(Signal Integrity)

軌道塌陷

信號的反射

有兩種特殊情況的反射,一種是末端開路，另一種是末端短路。末端開路時, Z2＝無窮大。所有的入射全部反射且幅度與入射相同，極性也相同。此時的末端電壓是入射的2倍。

在高速串行通道的信號完整性（Signal Integrity）傳輸中，需要使用Redriver/Repeater 和Retimer來保證信號傳輸?shù)馁|(zhì)量。

信號完整性. ReDriver/中繼器/信號調(diào)理器

常見的QSFP+和USB3.0有源電纜 ReDriver/Repeater TX/RX電路中繼示意

ReDriver，也稱為中繼器IC，再生信號以提高高速接口的信號質(zhì)量。更快的信號頻率使設(shè)計者有更少的信號裕度來設(shè)計可靠、高性能的系統(tǒng).使用均衡，預(yù)強調(diào)和其他技術(shù)，一個單一的RedRiver可以調(diào)整和糾正已知的信道損耗在發(fā)射機和恢復(fù)信號完整性的接收器。這將在接收機處形成一種眼圖，以提供低誤碼率(BER)的可靠通信所需的邊距。

ReDriver，可以重新產(chǎn)生訊號，在高速接口上增加訊號質(zhì)量。高速的訊號頻率造成設(shè)計上可用的寬裕度降低，增加設(shè)計耐用、高性能系統(tǒng)的難度。透過使用同等化(equalization)、預(yù)強調(diào)(pre-emphasis)和其他技術(shù)，可讓單一ReDriver調(diào)整與矯正傳輸端上頻道的損失，并在接收端上恢復(fù)訊號完整性。因此可以在接收端產(chǎn)生寬裕度足以滿足傳送可靠訊號、減少訊號錯誤率的眼圖。

再驅(qū)動器(中繼器集成電路)是解決日益增加的設(shè)計復(fù)雜性的關(guān)鍵技術(shù)，當(dāng)今高速互連的更高數(shù)據(jù)速率在每個行業(yè)和協(xié)議中都引入了這一技術(shù)。

為了在整個信號鏈中實現(xiàn)更好的信號完整性，基于其行業(yè)領(lǐng)先的信號調(diào)理技術(shù)提供了重新驅(qū)動器。與基于協(xié)議的信號轉(zhuǎn)發(fā)器相比，轉(zhuǎn)發(fā)器提供了更好的性能，基于協(xié)議的信號轉(zhuǎn)發(fā)器充當(dāng)必須終止然后重發(fā)信號的端點，因此引入了延遲并增加了系統(tǒng)成本。此外，重新驅(qū)動器通過在物理層調(diào)節(jié)和傳遞信號來最小化抖動。

瑞薩的HDMI 4x TMDS Regeneration Extender w/Mux
內(nèi)帶CDR Retimer重建時鐘功能，對傳輸電纜失配引入的抖動具較好的補償

ReDriver是解決設(shè)計復(fù)雜設(shè)計難題的關(guān)鍵的技術(shù)，現(xiàn)今各種應(yīng)用的高速鏈接所需的高速數(shù)據(jù)傳輸通訊協(xié)議都可以應(yīng)用。ReDrivers提供比基于協(xié)議訊號更好的性能，不需要在終端點終止信號，然后重新傳送，因此消除延遲和附加系統(tǒng)成本。此外ReDrivers調(diào)節(jié)與傳遞訊號是透過物理層工作，因此有最少的訊號抖動。

目前在USB3.0m,4K DISPLAY 等需要高速傳輸?shù)慕涌谥惺褂肦eDrvier,作為信號調(diào)節(jié)器?？梢员ＷC信號傳輸完整性。

應(yīng)用于汽車電子高速互聯(lián)通信和USB電纜的ReDriver示意

ReDriver也稱Repeater（中繼）和Retimer都屬于信號調(diào)理(Signal Conditioning)芯片，它們的作用都是信號均衡和增強作用，但是在具體實現(xiàn)功能方面有些區(qū)別。

內(nèi)置了Retimer功能的SFP+/QSFP+ 低功耗多速率四通道重定時器

Retimer就類似于一個PHY芯片，其信號在經(jīng)過Retimer的時候，通過內(nèi)部的時鐘重構(gòu)信號，使其信號傳輸能量增加，然后再繼續(xù)傳輸。Retimer是內(nèi)部具有CDR(數(shù)據(jù)時鐘恢復(fù))的IC，本質(zhì)是采用了PLL鎖相環(huán)對各連接器通道的串?dāng)_（Cross Talk）及電纜和線路板阻抗失真引入的時鐘抖動（Jitter）實現(xiàn)數(shù)據(jù)的恢復(fù)之后然后再此按照串行通道把信號發(fā)送出去。可以減輕信號的抖動。因此，除了具有Repeater的全部功能以外，額外增加了CDR功能，能夠有效去除接收信號的Jitter

典型的多路25GBps光收發(fā)器，每一路都有retimer

延伸拓展：

Advanced Retimer (Retimer with DFE)

除了具備Retimer的全部功能以外，還集成了多個tap的DFE，可以有效減少接收信號的Crosstalk

Re-driver的作用只是增強原有的信號，在物理層補充能量，而Re-timer則是把前一級的信號進行重構(gòu)然后再發(fā)送出去。產(chǎn)生了時鐘，并恢復(fù)了數(shù)據(jù)。

中繼補償傳輸信道耗損　Retimer確保訊號完整性

USB Type-C（也作USB-C）支持[敏感詞]的USB 3.2標準。特性完備的USB-C電纜可支持10Gbps的數(shù)據(jù)吞吐量，是USB 3.2 Gen1標準的兩倍。根據(jù)DisplayPort 1.4標準，在每路顯示輸出中該電纜支持四信道，每信道數(shù)據(jù)傳輸率可達8.1Gbps。DisplayPort則是以數(shù)據(jù)報的形式通過數(shù)字接口同時傳輸高分辨率音視頻信號，總帶寬可達32.4Gbps。高速的數(shù)據(jù)傳輸率和常見的嵌入式時鐘架構(gòu)的結(jié)合，有助于在差分訊號對信道中傳輸海量的數(shù)據(jù)和影音頻號。

訊號完整性成高速訊號傳輸挑戰(zhàn)

高速訊號在通過電纜或印刷電路板傳輸時，衰減現(xiàn)象很嚴重，甚至?xí)?dǎo)致訊號畸變。訊號通常透過傳輸線路傳輸，長度為10到12英吋的傳輸線路導(dǎo)致的通道[敏感詞]損耗達20dB或更高。此外，反射、串?dāng)_、雜波訊號和散射都會導(dǎo)致訊號完整性與眼圖區(qū)間惡化。訊號傳輸距離增加導(dǎo)致訊號衰減程度加重且訊號質(zhì)量下降，進而導(dǎo)致數(shù)據(jù)位錯誤，無法在遠程或接收端成功復(fù)原傳輸?shù)挠嵦枴?br/>

為避免或減輕這種現(xiàn)象，須為數(shù)據(jù)傳輸率為8.1Gbps以上的串行接口設(shè)置中繼器，以濾除隨機雜波和系統(tǒng)噪聲，使訊號符合規(guī)范要求。中繼器通常部署在信道途中，以補償信道損耗。目前有兩種類型的中繼器：Retimer和Redriver。Retimer可對來自上游信道的訊號進行均衡，使用CDR恢復(fù)時鐘訊號，并生成數(shù)字應(yīng)激訊號，傳送至下游信道。Redriver可均衡來自上游信道的訊號并將其傳送至下游通道。它的輸出訊號在輸入訊號的連續(xù)驅(qū)動下生成。Redriver不包含CDR，也不執(zhí)行復(fù)位時操作。

桌機/筆電USB-C與USB-A接口訊號改善方案

在所有互聯(lián)協(xié)議中，數(shù)據(jù)傳輸速率不斷提高，對CPU的性能要求更高，進而提升整個信道的數(shù)據(jù)傳輸速率。當(dāng)主流CPU供貨商不斷減小其芯片尺寸以降低功耗、維持性價比時，這種情形尤其明顯，最終導(dǎo)致保證訊號符合規(guī)范要求的[敏感詞]傳輸路徑長度不斷縮短。

英特爾（Intel）的CNL和CFL平臺USB3.1 Gen 2應(yīng)用設(shè)計指南建議OEM廠商在使用USB-C接頭時，使用基于Retimer的主動復(fù)用解決方案；在使用USB Type-A接頭時，使用Retimer方案，以保證訊號完整性，獲得更好的JTOL區(qū)間。Retimer應(yīng)用必須符合USB 3.2規(guī)范的附錄E，在USB 3.2 Gen2模式下能夠提供23dB的損耗補償。

USB 3.2規(guī)范定義了以下兩種類型的Retimer：

SRIS Retimer 在SSC無關(guān)參考時鐘（Separate Reference clock Independent of SSC， SRIS）Retimer應(yīng)用中，傳輸時鐘訊號來自本地參考時鐘，與接收端復(fù)原的時鐘訊號無關(guān)。

BLR 數(shù)據(jù)位Retimer（Bit-Level Retimer， BLR）的應(yīng)用中，傳輸時鐘訊號來自接收端復(fù)原的時鐘訊號（鏈路訓(xùn)練的某些階段除外）。