В устройствах аналого-цифрового и цифро-аналогового преобразования встречаются небольшие микросхемы, часто всего с 3 выводами. Несмотря на их кажущуюся простоту, они играют ключевую роль в процессе обработки сигналов.
ReTimer (ретаймер) и ReDriver (редрайвер) – микросхемы, установленные в линиях данных. Они обеспечивают улучшение проходящего сигнала. Ретаймеры и редрайверы могут устанавливаться на всем пути передачи сигнала: в кабеле или на печатных платах источника/получателя.
Наиболее распространенной причиной ухудшения качества сигнала является затухание. Больше имеет место для высокочастотных компонентов, чем для низкочастотных. Оно уменьшает амплитуду сигнала и искажает импульсы, что приводит к межсимвольным помехам. Другими факторами, оказывающими негативное влияние, являются: несоответствие сопротивления разъемов, вызывающее отражение сигнала, перекрестные помехи из-за высокочастотного шума от близлежащих источников и случайный шум джиттера, вызывающий фазовые и временнЫе ошибки. Напомним что джиттер (англ. jitter — дрожание) это фазовое дрожание — нежелательные фазовые или частотные отклонения передаваемого сигнала.
Что такое редрайвер
Роль редрайвера состоит в том, чтобы компенсировать потери из-за затухания сигнала. Это достигается за счет коррекции и усиления. Использование редрайвера — самый простой и экономичный способ улучшить качество передачи. С другой стороны, вместе с сигналом он также усиливает шум и хотя уменьшает джиттер, но может быть и его источником.
На рисунке ниже показана блок-схема. Её основными компонентами являются секция CTLE (Continuous Time Linear Equalizer), усилитель с регулируемым коэффициентом усиления и усилитель выходного каскада, который регулирует сопротивление в соответствии с сопротивлением линии передачи. Каскад CTLE, реализованный на приемной стороне редрайвера, отвечает за выравнивание амплитуд высокочастотной и низкочастотной составляющих за счет более сильного усиления первой, что компенсирует большие потери в этих составляющих спектра сигнала. В результате сигнал имеет равномерную частотную характеристику во всем диапазоне.
Каскад CTLE обычно реализуется как фильтр с конечной импульсной характеристикой. Другой блок, усилитель VGA (Variable Gain Amplifier), усиливает амплитуду сигнала. Кроме того, редрайвер включает в себя детекторы входного сигнала, шума и выхода.
Как известно, исходный сигнал передатчика характеризуется высоким отношением сигнал/шум. К сожалению, он передается по каналу с потерями, а кроме того, секции CTLE и усилитель в редрайве также имеют неизбежный уровень собственных шумов. Эти помехи усиливаются при перераспределении, снижая положительное результирующее влияние на качество сигнала, обрабатываемого в приемнике.
Следующим моментом является то, что на практике не удается настолько точно настроить CTLE, чтобы полностью исключить межсимвольные помехи. Редрайверы также не могут воспроизвести ширину, то есть временной интервал между двумя точками пересечения на диаграмме или джиттер.
Что такое ретаймер
Ретаймер обычно представляет собой интегральную микросхему, выполненную по технологии смешанных сигналов, состоящую из аналоговых и цифровых функциональных блоков. Помимо коррекции, в ее состав входит еще и блок восстановления тактового сигнала. Благодаря этому ретаймер устраняет не только межсимвольные помехи, но и случайный джиттер, перекрестные помехи и отражения. Кроме того, ретаймер должен поддерживать определенный протокол передачи или несколько из них. Это необходимо чтобы иметь возможность после восстановления тактового сигнала и сигнала данных повторно передать их копию, синхронизированную с «чистым» тактовым сигналом.
Важнейшими функциональными блоками ретаймера являются, кроме секции CTLE, усилитель с регулируемым коэффициентом усиления и усилитель выходного каскада, подстраивающий сопротивление под линию передачи и детекторы: входного сигнала, шума и выходного сигнала: LTE (Long-Tail Equalizer), DFE (Decision Feedback Equalizer), CDR (Clock Data Recovery) и цифровая секция, отвечающая за реализацию протокола передачи. Схема LTE/CLTE компенсирует затухание сигнала, а DFE представляет собой нелинейный эквалайзер, подавляющий межсимвольные помехи. CDR является, в свою очередь, упомянутым выше блоком восстановления тактового сигнала, который компенсирует изменения фазовых задержек и случайный джиттер и дополнительно устраняет детерминирование.
Проще говоря, редрайвер только усиливает сигнал, а ретаймер восстанавливает данные и тактовый сигнал, а затем отправляет его усиленную копию без искажений. Редрайверы обычно используются для компенсации потерь в канале до 20 дБ. При более значительном ухудшении или искажении сигнала из-за джиттера более уместен ретаймер, который может компенсировать потери в 30–35 дБ и устранить джиттер.
Спецификация USB 1.0 была выпущена в 1996 году, а USB 2.0 — в 2000 году. Хотя изначально передрайверы не были частью стандарта, но преимущества, которые они давали с точки зрения расширенного диапазона и совместимости по напряжению, вскоре сделали их незаменимыми. С выпуском спецификации USB 3.0 в 2010 году возросли проблемы с целостностью сигнала при передаче через интерфейс USB, что привело к появлению улучшенных редайверов. Эта потребность сохранилась с USB 3.1 и Superspeed + 10 Гбит/с. Спецификация USB 3.2, которая представила многополосную работу через интерфейс USB-C, еще больше увеличила количество устройств для перепрошивки. В 2019 году была опубликована спецификация USB 4, увеличившая скорость передачи до 20 Гбит/с. Поскольку существует много проблем для использования на скоростях выше 10 Гбит / с, эпоха перепрошивок USB закончилась с объявлением спецификации USB 4. Об этом свидетельствует тот факт, что он был включен в документацию последней версии этого стандарта, определяя в нем обработку ретаймеров. Благодаря этому USB 4 стал одним из их самых перспективных.
Напоследок стоит добавить, что у ретаймеров более высокое энергопотребление, чем у редрайверов. Но этот аспект регулируется спецификацией USB 4, и как ретаймеры, так и редайверы должны соответствовать представленным там требованиям. Кроме того, ретаймеры увеличивают сложность проекта и влияют на его цену. Последнее компенсируется лучшим качеством сигнала и, в случае ретаймеров, совместимых с несколькими протоколами передачи, большей гибкостью конструкции. На данный момент ретаймеры USB4 выпускают всего несколько компаний.
