USB 3.0標準撼動產業發展態勢
- 李佳玲
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安捷倫科技USB產品經理 Jim Choate將在本文中，針對USB 3.0標準會給市場帶來哪些變化，以及會給工程實驗室帶來哪些挑戰，發表自己的看法。文中將介紹數位工程師將會用到的新技能，並且探討展頻時計方面可能存在的相符性問題，同時還解釋了高速傳輸速率對於發射器、接收器與纜線系統的測試有何影響。最後，本文還探討了數位標準的重要性，以及量測專業技術在執行互通性測試時所扮演的重要角色。
USB 技術已廣為應用於許多領域。Intel的調查結果顯示，全球 USB 產品出貨量已經超過 60 億個，幾乎到了全世界每人都有一個的普及度。不僅如此，性能更先進的 USB 3.0 技術可能進一步取代其他介面，加速擴大其市場佔有率。
新的 USB 3.0 標準(SuperSpeed USB)訂定了比USB 2.0 高出10 倍的資料傳輸技術。傳輸速度的提高，預料將引發新一波的消費性電子產品熱潮，對於渴望將影片傳送到智慧型手機上的消費者而言是一大福音。消費者不斷升高的需求驅動了此超高速標準的發展，從一般使用者的角度來看，這是重大的技術演進。
新標準全面撼動資料傳輸發展
然而，演進並不代表墨守成規。USB 3.0 介面支援高達 5 Gb/s 的資料速率及超過 200 MB/s 的資料容量，這項新標準正全面撼動資料傳輸發展。由於它的速度比 eSATA 和 FireWire還快，很可能會使得這兩種介面遭到淘汰。
PCI Express 介面雖是內部匯流排，您也可透過轉接卡來使用這項技術，自如地在 PC 之間傳輸資料。而 USB 3.0 進一步強化了效能，讓您無需使用轉接卡，便可用可與 PCI Express 相媲美的高輸送量來傳輸資料。不過，這並不代表 USB 3.0 會取代 PCI Express 技術的地位 – 目前出貨的 USB 3.0 主機仍然使用 PCI Express 卡，而是凸顯出支援高傳輸速率的 USB 3.0，可為工程師提供適用於各種應用的優異效能。
同時，USB 3.0 標準也改變了工程實驗室的現況。USB 3.0 的架構與 USB 2.0 截然不同，為提升速度，它內含一個實體層，這一點與 PCI Express 技術極為相似。如此一來，專精USB 2.0 技術測試與除錯的專業工程師將需要學習新的技能。
此外，使用高速 USB 3.0技術時，數位工程師必須處理微波效應，但他們在這方面毫無經驗。數位設計人員還需解決信號路徑的路由與阻抗控制問題，這些都是 USB 3.0設計的關鍵要求。在設計接收器時，由於需部署複雜的 PLL(鎖相迴路)和主動式接收器等化功能，因此設計難度提高了十倍。
USB 3.0 產品都必須包含展頻時計
設計人員面對的最大改變之一是，所有 USB 3.0 產品都必須包含展頻時計(SSC)。SSC 主要用來消除或降低 EMI(電磁干擾)。對晶片設計者而言，他們很難用低成本設計來部署可有效控制的 SSC 調變技術。
有些主機板並未正確地部署中心展頻 SSC 時計，違反了 USB 3.0 規格要求。中心展頻波形profile以標稱頻率為中心，進行等量的上下調變，例如 +2500/-2500 ppm。如果系統未妥適地部署中心展頻 SSC，則大多數 USB 3.0 元件就無法與之相容。當消費者購買了主機外接插卡，並將其插入系統時計不一致的系統中，將會很失望地發現兩者不相容。
元件廠商已經找到解決這個問題的辦法，例如關閉 SSC。其實，真正一勞永逸的方法是，系統廠商應確保自身產品符合 PCI Express 和 USB 3.0 的 SSC 規格要求。為達成此一目標，PCI Express 廠商聯盟和 USB-IF 相容性小組必須共同克服這個難題。
USB 3.0標準要求回溯相容性
另一方面，USB 3.0 標準要求向後相容性，進ㄧ 步提高了符合相容性標準的元件設計的難度。隨著 USB 標準不斷演進，其資料速率已經由 1.5 Mb/s、12 Mb/s(USB 1.1)，躍升到 480 Mb/s(USB 2.0)，現在更提高到 5 Gb/s(USB 3.0)。由於每個不同版本的 USB 標準，其相容性測試規格都不相同，而不同的資料速率與信號位準共存，更大幅提高了元件的複雜度和測試要求。不過，向後相容的規格，使得消費者能夠彈性地混合搭配不同速度和傳輸容量的週邊配備。這種靈活性也是 USB 的主要優勢之一。
USB 3.0 標準將資料速率提升了 10 倍，使得發射器、接收器和纜線系統的測試面臨新的挑戰。為了測試 SuperSpeed發射器相容性和通道效應，工程師需使用高頻寬示波器和相容性碼型來量測發射波形。由於 USB 3.0 支援超長的通道拓撲，因此工程師需透過長通道對發射器和接收器進行相容性測試。也就是說，工程師須使用3 公尺長的纜線和額外長度的 PCB 軌跡線(主機是 5 英吋，元件是 11 英吋)來測試實體層特性。
透過相容測試確保產品具電氣互通性
他們的目標是透過相容性測試，確保其 USB 3.0 產品具備絕佳的電氣互通性。然而，少數幾個產品樣品通過相容性測試，並不代表這款產品在不同條件下，或在採用新的製程後，還具有同樣的效能。在此情況下，餘裕測試可讓設計人員對產品相容性深具信心。
安捷倫科技對測試流程的要求即十分嚴格，我們為工程師提供各種先進量測儀器，確保他們能夠按照標準，測試元件和裝置的特性。許多情況下，我們還提供各種執行測試的方法。我們不只是銷售儀器，同時還竭盡全力協助他們以最有效的方式分析元件特性。
為了銷售完整的特性分析解決方案，我們需要深入地瞭解USB標準的規格。安捷倫是 USB 應用廠商論壇(USB-IF)的重要成員，我們非常瞭解這項標準，而且對標準制定貢獻卓著。藉由積極參加這些標準的制定，安捷倫為 USB 設計工程師提供兩大優勢，首先，可根據工程師的需求，適時地推出合適的產品。其次，由於安捷倫積極參與各種插拔大會、研習營和研討會，因此能夠隨著標準的演進，推出最合適的解決方案，讓工程師能夠藉此設計出最可靠的產品，這是其他儀器廠商望塵莫及的優勢。
新的 USB 3.0 標準將大幅增強各種電子元件的效能。安捷倫已經為工程師們準備好了所需的測試與量測工具，可協助他們克服一切困難，更快地設計並推出符合標準的全新元件。[本文內容為安捷倫科技USB產品經理Jim Choate提供]
