리드라이버를 사용하여 고처리량 USB 3.0 케이블 범위 확장

최신 버전의 USB는 호스트와 주변 장치가 근접한 위치에 있다고 가정하고 최대 2.5GB/s의 속도를 제공합니다. 장거리에서 USB가 사용되는 응용 분야에서는 정해진 USB의 데이터 전송률을 유지할 수 있도록 설계자가 신호 열화를 상쇄할 방법을 찾아야 합니다.

평형화, 엠퍼시스, DC 이득 기술을 사용할 수 있지만 USB 리드라이버를 사용하여 설계자는 더 큰 성과를 얻을 수 있으며 시장 출시 시간도 단축할 수 있습니다. 이러한 리드라이버는 신호 열화를 해결하는 데 필요한 모든 전자기기가 포함된 통합 장치입니다.

이 기사에서는 리드라이버의 작동에 대해 설명하고 몇몇 샘플 장치와 이를 적용하는 방법을 소개합니다.

USB 확장을 위해 필요한 사항

USB 사양이 매핑될 때는 컴퓨터와 외장 하드 드라이브 사이와 같이 수 미터 거리의 장치 사이만 연결하는 것으로 가정되었습니다. USB 3.0 사양에서는 신호 무결성을 유지하려면 케이블 길이가 3M로 제한되어야 한다고 명시하고 있습니다. 하지만 USB 기술이 엄청난 인기를 누리게 됨에 따라 이제는 실용적인 이유로 더 긴 케이블 길이를 사용해야 하는 응용 분야에도 사용됩니다. 예를 들어 대형 매장 전체에 실장된 디스플레이 패널과 서버를 연결하는 경우를 볼 수 있습니다.

안타깝게도 고속 USB 버전에 일반적인 고주파수 신호와 긴 케이블이 결합되면 채널 삽입 손실, 누화, 부호 간 전파 방해(ISI) 등의 신호 무결성 문제와 그로 인한 처리량 감소 문제를 야기합니다.

USB 시스템 설계자는 신호 열화를 극복하기 위해 몇 가지 기술을 활용할 수 있습니다. 예를 들어 평형화 및 엠퍼시스를 이용해 채널 삽입 손실과 ISI의 영향을 제한할 수 있습니다. 또한 DC 이득을 높이면 누화로 인한 손실을 해결하는 데 도움이 됩니다.

하지만 신호 조절 회로를 설계하면 USB 시스템의 복잡성이 심화되며 USB 기술이 전송 및 수신을 위해 별도의 신호 쌍을 이용하여 필요한 회로망을 두 배로 증가시키므로 문제가 악화됩니다. 설계자들은 USB 리드라이버를 활용하여 도움을 받을 수 있습니다.

신호 열화의 원인

USB의 빠른 속도를 저해하는 신호 열화는 이 기술에 한한 문제는 아닙니다. 고속 통신 링크를 사용하는 모든 제품의 설계자가 흔히 겪게 되는 문제입니다. 또한 긴 케이블을 이용한 USB 설치에만 해당되는 것도 아니지만 케이블이 짧을 경우 신호 열화가 더 적으므로 큰 문제가 되지는 않습니다.

고속 통신 시스템의 신호 열화는 주로 삽입 손실, 누화, ISI의 조합으로 인해 발생합니다.

삽입 손실은 케이블에 의해 유발된 신호 전력 감쇠로 인한 것입니다. 손실은 케이블 길이에 비례하여 나타납니다. 누화는 양측의 신호 무결성을 저하시키는 주변 신호 캐리어의 정전 용량, 유도, 전도 “커플링”입니다. ISI는 하나의 기호(데이터를 전달하고 캐리어 주파수에 따라 반복되는 별도의 신호)가 이전의 기호와 전파 방해를 일으켜 잡음과 왜곡이 심화될 경우 발생합니다. ISI는 캐리어 주파수(주파수가 높아질수록 신호 간의 시간 차이가 줄어들기 때문)와 케이블 길이(케이블이 길어질수록 신호 대 잡음비(SNR)가 감소하기 때문)에 비례하여 나타납니다. 잡음은 유용한 정보를 운반하지 않는 신호의 일부분입니다.

고속 USB 시스템에도 특정한 양의 결정론적 및 무작위 지터(여기에서는 신호 공칭 주기의 약간의 차이로 정의)가 포함되며 이는 신호 무결성을 저해할 수 있습니다. 시스템 통신 주파수가 높아질수록 지터의 영향이 커집니다.

신호 열화 극복

고속 통신 시스템에서 어느 정도의 신호 열화가 나타나는 것은 피할 수 없는 현상이지만 SNR이 심하게 저하되어 전송된 데이터 중 일부의 상태가 수신기에서 디코딩될 수 없을 정도로 불량할 경우 문제가 됩니다. 그러면 처리량이 감소되며 극단적인 경우 통신 장애가 발생합니다.

엔지니어들은 고속 통신 시스템의 처리량을 증대시킬 수 있도록 SNR을 향상(또는 “신호 조절” 구현)하기 위해 다음 4가지 기술을 개발했습니다.

• 엠퍼시스/디엠퍼시스는 잡음에 의해 영향을 받을 가능성이 가장 큰 전송 주파수의 증폭을 저하시킨 후 수신기에서 이를 디엠퍼시스해 원래 신호를 재구성합니다.
• 평형화는 필터링을 이용해 수신된 신호가 전송된 신호의 주파수 특성과 일치하게 하여 케이블 전체 길이에 걸쳐 균등한 주파수 응답을 효과적으로 유지합니다.
• DC 이득은 주어진 길이의 케이블에 대한 선형 감쇠를 보상합니다.
• 출력 스윙 제어는 USB 차동 전압 구성을 지원해 0.8V ~ 1.2V의 사양 요구 사항을 충족하도록 보장합니다.

특정 구성에 대해 통신을 최적화하려면 다양한 작동 조건에 필요한 평형화, 엠퍼시스, DC 이득, 출력 스윙 제어의 양을 결정하기 위해 광범위한 테스트가 필요합니다. 그런 다음 이 정보를 이상적인 신호를 유지하기 위해 작동 중에 각 파라미터를 적절히 변경하는 데 사용할 수 있습니다. 하지만 적응형 신호 조절은 가장 중요한 통신 시스템을 제외한 모든 시스템에서 실용적이지 않습니다.

단일 설정이 모든 작동 조건을 충족하는 수동 신호 조절을 이용하면 훨씬 낮은 비용으로 합리적인 결과를 도출할 수 있습니다. 단점은 항상 최적의 조건을 보장하지는 않는다는 것입니다. 설계자는 설계에 사용하기 위한 테스트를 거친 특정 길이의 케이블을 제공하거나 최대 케이블 길이를 지정하는 방식으로 소비자 만족을 보장할 수 있습니다.

신호 조절은 리드라이버 채널에 대한 USB 호스트(마이크로프로세서) 및 주변 장치 채널(커넥터 및 케이블)에 대한 리드라이버에 대해 모두 필요합니다. 일반적으로, 각 측에 대해 다른 신호 조절 파라미터가 필요합니다.

리드라이버의 설계

USB 리드라이버는 USB 채널에 대해 투명한(데이터 전송에 영향 없음) 신호 조절을 구현할 수 있는 간편하고 상대적으로 저렴한 방법입니다. 10Gb/s, 1채널 USB 3.1 선형 리드라이버인 Diodes Incorporated의 PI3EQX1001XUAEX 등의 제품은 종단점 장치에서 수신하기 전에 고속 USB 신호를 원래 상태로 복원합니다(그림 1).

그림 1: Diodes Incorporated의 PI3EQX1001XUAEX와 같은 USB 리드라이버는 긴 케이블의 신호 무결성을 복원할 수 있는 간편한 방법입니다. (이미지 출처: Diodes Incorporated)

리드라이버는 광범위한 구성 파라미터를 허용하므로 칩을 커넥터에 가능한 한 가까운 호스트 USB PC 기판에 실장하거나 주변 또는 종단점 장치의 커넥터에 가깝게 케이블의 제일 끝에 실장할 수 있습니다(그림 1 참조). 하지만 대부분의 응용 제품은 케이블의 호스트 USB 끝에 리드라이버를 사용합니다.

기판 트레이스는 고속 신호 설계의 모범 사례 지침을 충족하도록 설계되어야 합니다. 예를 들어 트레이스는 일치하는 제어된 임피던스, 차동 회로여야 합니다. 라우팅은 바이어스와 급회전(135˚ 이상 유지)을 사용하지 않아야 하며 트레이스는 임피던스 공급 중단을 방지하기 위해 잘리거나 갈라지지 않은 견고한 접지면으로 레퍼런스해야 합니다(그림 2).

그림 2: USB 호스트를 리드라이버 및 커넥터에 연결하는 트레이스는 고속 신호 설계 모범 사례를 따라야 합니다. 예를 들어 전파 방해를 제한하기 위해 회전은 135^˚로 제한되어야 합니다. (이미지 출처: Texas Instruments)

PC 기판과 부품이 조립되면 개발자가 특정 채널의 구체적인 특성에 부합하도록 신호 조절 파라미터를 구성할 수 있습니다.

최신 제품의 예로는 NXP Semiconductors의 PTN36043BXY USB 3.0 리드라이버를 들 수 있습니다. 이 칩은 통합 USB 3.0 리드라이버가 포함된 콤팩트한 저전력의 2개의 차동 채널 2-1 능동 스위치입니다. 이 스위치는 2개의 차동 신호를 두 위치 중 한 곳으로 전달할 수 있으며 누화를 최소화하는 설계로 구성되었습니다(그림 3).

그림 3: NXP Semiconductors의 USB 3.0 리드라이버에는 엠퍼시스, 평형화, DC 이득, 출력 스윙 제어가 통합되어 있습니다. 케이블 특성이 각 방향에 따라 다르므로 송신 및 수신기 라인에 별도의 제어가 필요합니다. 이 리드라이버는 USB Type-C 커넥터용으로 설계되어 커넥터 측에 이중 송신 및 수신 연선이 사용됩니다. (이미지 출처: NXP Semiconductors)

NXP USB 3.0 리드라이버를 이용하면 개발자가 엠퍼시스/디엠퍼시스, 평형화 및 각 채널(USB 호스트-리드라이버 및 리드라이버-주변 기기)에 대한 출력 스윙을 조정할 수 있습니다. 또한 이 장치를 이용하면 DC 이득을 높여 케이블 감쇠를 상쇄할 수 있습니다.

각 채널은 2개의 제어 핀에 연결되므로 설계자가 주어진 설정에 대해 신호 조절 파라미터를 선택할 수 있습니다. 개발자는 각 채널의 TX/RX 라인에 대해 9가지의 신호 조절 조합에서 선택할 수 있습니다(표).

표: 개발자는 NXP 리드라이버를 사용할 경우 USB 호스트-리드라이버 채널의 TX/RX 라인에 대해 9가지 신호 조절 파라미터 중에서 선택할 수 있습니다. 리드라이버-주변 장치 채널에 대해서도 유사한 옵션이 제공됩니다. (표 출처: NXP Semiconductors)

리드라이버 설계 평가

엠퍼시스, 평형화, DC 이득, 출력 스윙 제어 중 최상의 선택을 결정하기 위해서는 다양한 작동 조건에서 프로토타입을 평가해보는 것이 필요합니다. 평가 키트가 제공될 경우 설계자의 작업이 용이해집니다.

예를 들어, Texas Instruments는 USB-REDRIVER-EVM USB 3.0 리드라이버 평가 모듈(EVM)을 제공합니다(그림 4). 이 모듈은 해당사의TUSB501DRFR USB 3.0, 3.3V 단일 채널 리드라이버를 기반으로 합니다.

그림 4: TI의 USB 3.0 리드라이버 평가 모듈을 이용하면 개발자가 다양한 구성을 실험해 설계의 신호 무결성을 최적화할 수 있습니다. (이미지 출처: Texas Instruments)

USB 시스템이 활성 상태일 경우 TUSB501이 주기적으로 TX 쌍의 수신기 감지를 수행합니다. SuperSpeed USB 리드라이버를 감지하면 RX 종단이 활성화되며 TUSB501이 리드라이브할 준비를 합니다.

칩에는 핀 “EQ”로 제어되는 3가지의 이득 설정(3dB, 6dB, 9dB)을 갖춘 수신기 평형기가 탑재되어 있습니다. 또한 이 칩은 “DE” 및 “OS” 핀에서 디엠퍼시스 및 출력 스윙도 지원합니다. 디엠퍼시스 값은 출력 스윙 선택에 따라 달라집니다. 출력 스윙이 “낮음”으로 선택된 상태에서 디엠퍼시스는 0dB ~ -6.2dB 사이로 설정할 수 있습니다. “높음”으로 설정된 상태에서는 EM이 -2.6dB ~ -8.3dB 사이의 디엠퍼시스를 지원합니다.

EVM은 USB 동글로 제공되며 2개의 TUSB501 리드라이버(및 세 번째 USB 2.0 리드라이버)를 담을 수 있습니다. 이 동글에는 USB 호스트 V_BUS 핀에서 전력이 공급되며 공급 전압을 다운스트림 포트로 전달해 주변 장치에 전력을 공급합니다.

EM의 TUSB501 리드라이버 중 하나는 나머지가 RX 라인을 맡는 동안 호스트 TX 라인을 향상시킵니다. 기본 평형화 및 디엠퍼시스 값은 길이가 3m ~ 5m 사이인 케이블 및 연결된 20cm ~ 25cm의 기판 트레이스를 이용하는 USB 3.0 시스템에서의 송신 및 수신에서 일반적으로 발견되는 값으로 구성됩니다. DC 이득은 적합한 저항기를 선택해 구현합니다.

EVM을 이용하면 개발자가 리드라이버의 구성 파라미터를 변경하는 것이 고속 USB 시스템의 TX 및 RX 쌍의 신호 무결성에 어떤 영향을 미치는지 테스트할 수 있습니다. 또한 EVM은 의도된 응용 제품에 맞게 수정될 수 있는 참조 설계 역할을 합니다. 여기에는 USB Type-A 플러그와 리셉터클이 장착됩니다.

USB 리드라이버 연결을 통한 시스템 테스트

물리적 시스템을 테스트할 경우에는 리드라이버가 USB 신호를 수정함에 따라 시스템 지터에 자체적으로 기여한다는 점을 염두에 두는 것이 중요합니다. 이 지터가 신호 조절 설정에 미치는 영향을 파악하기 위해서는 이를 측정해야 합니다.

TI는 리드라이버가 커넥터에서 4인치 거리에 배치된 상태에서 3m 케이블과 24인치 트레이스가 있는 호스트 USB PC 기판으로 구성된 테스트 시스템을 권장합니다. 케이블 끝에서는 주변 장치가 1인치 ~ 6인치 사이의 트레이스가 있는 PC 기판으로 표시됩니다(그림 5).

그림 5: TUSB501 리드라이버를 사용하는 고속 USB의 지터 테스트 설정. 이 설정은 3m 케이블을 사용해 주변 플래시 드라이브에 연결된 PC 등의 응용 제품을 복제합니다. (이미지 출처: Texas Instruments)

이상적인 설계는 지터 값이 0으로 나타나 디엠퍼시스 등의 보정이 고-저/저-고 전이 직후에 완전하게 적용되도록 보장합니다. 이는 실용적이지 못하므로 TI는 전체 보정이 전이 후 200피코초 이내에 적용될 수 있도록 지터가 제한되게 설계할 것을 권장합니다(그림 6).

그림 6: 리드라이버를 사용하는 고속 USB 시스템의 지터는 전체 보정이 신호 전이 200ps 이내에 적용되도록 제한되어야 합니다. (이미지 출처: Texas Instruments)

결론

원래 형태의 USB 3.0은 케이블 길이가 최대 2m를 넘지 않도록 고안된 것이지만 현대의 수많은 응용 제품은 더 긴 케이블을 사용하고 있습니다. 이 기술의 고주파 신호로 인해 케이블 길이를 3m 이상으로 확장하면 처리량을 저하시킬 수 있는 신호 무결성 문제가 발생합니다. 저렴한 콤팩트형 USB 3.0 리드라이버는 개발자가 고속 USB 신호를 향상하기 위해 평형화, 엠퍼시스, DC 이득을 추가할 수 있도록 지원해 상대적으로 단순한 솔루션을 제공합니다.

설명한 바와 같이 실리콘 공급업체는 이제 제안된 응용 제품에서 대상 장치를 쉽게 시험해 볼 수 있는 리드라이버 기반의 사전 구축된 EVM을 제공하고 있습니다. 규격서에는 EVM을 최종 제품의 참조 설계로 사용할 수 있게 하는 부품 및 PC 기판 레이아웃 정보가 포함됩니다.