USB Differential Signal、阻抗匹配、眼圖原理簡介

Step 1

    Device 端傳送一筆資料

Step 2

    訊號分別傳傳輸出 D+ 與 D- 震幅相同、相位相反的兩個訊號

Step 3

    當 Device 傳輸到 Host 的途中若產生了 Noise

Step 4

    此時 Noise 影響了 D+、D- 訊號

Step 5

   信號接收端，比較了受 Noise 影響的 D+、D- 訊號差值，來判斷 Device 發送的原始邏輯狀態。



                                                                                                                                        圖 1

結論：

一般產生於 D+ 與 D- 訊號中的 Noise 值會相等，因此利用差值為 0 的方式來加強 USB 抗干擾的功能。

當 USB 的 Host 與 Device 以高速訊號傳輸資料，信號在傳輸線 ( PCB 銅箔走線上 ) 的傳輸過程中，因阻抗不匹配容易導致訊號的反射，Device 反射訊號與 Host 原始訊號疊加就會產生上升與下降突波問題。

訊號 S_in 於 Cable 中傳輸 ( 如圖 2 )，假設 Cable 阻抗為 Zc、Device 阻抗為 Zd，訊號經過阻抗不同的區域，於虛線交界處，電壓與電流可能因阻抗不匹配產生變化，造成訊號反射，當 Cable 中多個訊號反射與原訊號疊加則可能產生上升與下降突波問題。




                                                                                                                                       圖 2

Host 端反射係數：( Rh – Rc ) / ( Rh + Rc ) = -0.6667

Device 端反射係數：( ∞ - Rc ) / ( ∞ + Rc ) = 1

Step 1：

    當訊號入電壓為 3.3 V 時，訊號經過 Rh 與 Rc 產生壓降，此時 Step 1 中 Cable 的電壓為 2.2 V

    壓降算式： 3.3 * ( Rc / ( Rc + Rh ) ) = 3.3 * 0.67 = 2.2 V

Step 2：

    當訊號經過 Device 因反射係數為1，因此反射電壓為 2.2 V

Step 3：

    此時在 Cable 中的訊號同時存在了 3 種電壓訊號，原始訊號電壓 2.2 V、從 Step 2 中反射的電壓 2.2 V、從 Step 2 中反射的電壓通過 Host 而產生的反射的電壓，經過計算為 -1.467 V ( 2.2 V x Host 端反射係數 )

Step 4：

    當訊號經過 Device 因反射係數為1，因此反射電壓為 -1.467 V

Step 5：
    整體狀況同 Step 3，因此反射電壓為 -0.978 V




                                                                                                                                     圖 4

結論：

    反射電壓以此類推，最終會趨近於 0，而 Cable 上的電壓也會趨近於 3.3 V，而在以上敘述的情況下，電壓與時間關係圖如圖 5 所示，由圖中可觀察到上升與下降突波問題，有可能導致訊號傳輸錯誤。

    因此若將 Host、Cable、Device 之間的阻抗值進行匹配，即 Rh = Rc 此時 Host 端反射係數為 0，就可以改善此問題。

    通過阻抗匹配可有效減少、消除高頻訊號反射，所以我們需要測試各設備阻抗，抓取平衡穩定的數值來改善由於反射造成的不良測試現象，所以阻抗穩定就顯得非常重要，阻抗匹配值會影響差分訊號的眼圖、訊號頻寬、訊號抖動      和訊號線上的干擾電壓…等，因此非常重要。



                                                                                                                                       圖 5

而使用 NXP 系列 MCU 可參考 NXP 原廠提供的 USB Guidelines 敘述，USB 規範在 Differential Signal 的傳輸模式下，D + 與 D – 的阻抗匹配值需為 90 ohm。



                                                                                                                                                                              

眼圖檢測：

    將 USB 訊號 ( D+ 或 D- ) 所掃描的每一個位元碼波形重疊在一起，形成眼狀的圖形，眼圖上可觀察到的狀態有阻抗不匹配、訊號抖動、訊號雜訊 … 等。

    一個完整的眼圖需包含從 000 到 111 之間的 8 種阻態來構成，一個由 3 個時序狀態組合而成的眼圖如圖 6 所示，因此如果這八種狀態組中缺失某種狀態，會導致眼圖不完整。



                                                                                                                                     圖 6

    結論：

        透過八種狀態排列出眼圖後，需進一步從中了解各參數，並分析出參數含意，常見的 9 種參數如下所示 ( 如圖 7 )：



                                                                                                                                    圖 7

1. Logic 0：邏輯為 0 的電壓位準值，藉以觀察電壓穩定性
2. Logic 1：邏輯為 1 的電壓位準值，藉以觀察電壓穩定性
3. Rising Time：一般定義上升時間從 10 ~ 90 ％ ，不同規範會有不同時間倍率定義，上升時間愈短，眼圖中間的白色區塊越明顯，代表可傳遞的信號及容錯率較好
4. Falling Time：一般定義下降時間從 10 ~ 90 ％ ，不同規範會有不同時間倍率定義，不同規範會有不同時間倍率定義，下降時間愈短，眼圖中間的白色區塊越明顯，代表可傳遞的信號及容錯率較好
5. Eye Height：眼圖中間的白色區的垂直軸開口的大小，當雜訊產生時，訊號的電壓準位就會產生變化，導致開口變小，則代表通訊品質下降
6. Eye Width：左右兩邊上緣與下緣交叉點間的時間差，信號產生抖動、不對稱時，Eye Width 則會變小
7. Jitter：Jitter 是每筆訊號在邏輯準位上升與下降的時間差異值，產生原因是傳輸時的震幅時間不一至導致
8. Eye Amplitude：邏輯 1 與 0 的平均位準的比值
9. Bit Rate：資料傳輸的速度，單位為Bit Per Second，為眼圖寬度的倒數

參考資料
https://en.wikipedia.org/wiki/Differential_signaling
https://codingnote.cc/zh-tw/p/178294/
http://www.hope.com.tw/DispArt-tw.asp?O=HJN8576W7CTAR-STDZ