如果主機距離外圍設備很近，最新版本的 USB 可提供高達 2.5 Gb/s 的速率。在長距離使用 USB 的應用中，設計人員必須找到一些方法來抵消信號衰減，以維持 USB 規定的數據速率。

雖然也可以采用均衡、加重和直流增益技術，但通過 USB 轉接驅動器，設計人員可獲得更大的成功并縮短上市時間。轉接驅動器是集成器件，包括解決信號衰減所需的所有電子元件。

本文首先介紹轉接驅動器的操作，然后引入一些示例器件并說明其應用方式。

USB 可以拉長距離，但需要付出代價

USB 規范在制定時，會假定僅在相距幾米內的器件之間進行連接，例如計算機和外部硬盤驅動器之間的連接。USB 3.0 規范規定電纜長度應限制在 3 米以內，以保持信號完整性。但 USB 技術的成功之處正在于現在它可用于出于實際需要必須使用更長電纜的應用。示例包括將服務器與安裝在大型商店中的顯示器面板連接。

遺憾的是，較長的電纜與高速 USB 版本常見的高頻信號相結合，會帶來信號完整性挑戰，例如通道插入損耗、串擾、碼間干擾 (ISI) 以及隨之而來的吞吐量降低。

USB 系統設計人員可以采用多種技術來克服信號衰減。例如，均衡和加重可用于限制通道插入損耗和 ISI 的影響。提高 DC 增益有助于克服串擾引起的損耗。

但是，設計信號調節電路會增加 USB 系統的復雜性，并且加大挑戰的嚴峻程度，因為 USB 技術使用單獨的信號對進行發送和接收，導致所需的電路加倍。USB 轉接驅動器的出現為設計師帶來了福音。

信號衰減的原因

高速 USB 需要克服的信號衰減問題并非該技術所獨有；所有高速通信鏈路產品的設計人員都熟知此類問題。它們也不是長電纜 USB 安裝所獨有，但由于短電纜中的信號衰減較少，因此問題并不明顯。

高速通信系統中的信號衰減主要是由于插入損耗、串擾和 ISI 的共同作用。

插入損耗是由電纜引起的信號功率衰減的結果。損耗與電纜長度成正比。串擾是相鄰信號載波的電容、電感或電導“耦合”，這降低了兩者中信號的完整性。當一個符號（攜帶數據并根據載波頻率重復的離散信號）干擾前一個符號時，會發生 ISI，從而會增加噪聲和失真。ISI 與載波頻率（因為信號之間的時間間隔隨著頻率升高減小）和電纜長度（因為信噪比 (SNR) 在較長的電纜中減小）成比例。噪聲是信號中不攜帶有用信息的部分。

高速 USB 系統還將包括一定量的確定性和隨機性抖動，可以理解為與信號標稱周期性的小偏差，這可能損害信號完整性。系統通信頻率越高，抖動的影響越大。

克服信號衰減

高速通信系統中不可避免地存在一些信號衰減，但是僅在 SNR 變得太差以至于發送的某些數據無法在接收器處解碼時，信號衰減才會成為一個問題。這會導致吞吐量受損，并且在極端情況下引發通信故障。

工程師已經開發出四種技術來提高 SNR（或實施“信號調節”），以提升高速通信系統的吞吐量：

加重/去加重放大最可能受噪聲影響的發射頻率，然后在接收器處對其去加重，以重建原始信號。

均衡使用濾波來確保接收信號與發送信號的頻率特性相匹配，從而有效保持整個電纜長度上平坦的頻率響應。

直流增益可補償給定長度電纜的線性衰減。

輸出擺幅控制可配置 USB 差分電壓，以確保其符合 0.8 至 1.2 伏的規格要求。

優化特定配置的通信需要進行大量測試，以確定一系列操作條件所需的均衡、加重、DC 增益和輸出擺幅控制的量。然后，可使用該信息在操作期間自適應更改每個參數，以維持理想信號。但是，對所有系統執行自適應信號調節，而非僅針對最關鍵的通信系統，這并不實際。

無源信號調節，即單個設置滿足所有操作條件，確實能夠以低得多的成本獲得合理的結果。缺點是它無法始終確保最佳條件。設計人員可以通過提供特定長度的電纜（其設計已經過使用測試）或指定最大電纜長度來確保消費者滿意。

USB 主機（微處理器）到轉接驅動器通道，以及轉接驅動器到外圍通道（通過連接器和電纜）都需要進行信號調節。通常，每側都需要不同的信號調節參數。

重新設計轉接驅動器

USB 轉接驅動器是一種對 USB 通道實施透明（不影響數據傳輸）信號調節的方便且相對低成本的方式。諸如 Diodes Incorporated 的 PI3EQX1001XUAEX（一種 10 Gb/s、1 通道 USB 3.1 線性轉接驅動器）之類的產品，在端點設備接收之前，將高速 USB 信號恢復到原始狀態（圖 1）。

圖 1：USB 轉接驅動器（比如 Diodes Incorporated 的 PI3EQX1001XUAEX）是恢復長電纜信號完整性的便捷方式。（圖片來源：Diodes Incorporated）

由于轉接驅動器允許各種配置參數，因此芯片可以安裝在主機 USB 印刷電路板上，盡可能靠近連接器，或者安裝在電纜的遠端，靠近外圍設備或端點設備的連接器（如圖 1 所示）。但是，大多數應用在電纜的主機 USB 端使用轉接驅動器。

電路板印制線的設計應符合高速信號設計的最佳實踐指導準則。例如，印制線應是匹配、阻抗受控的差分對。布線應避免使用過孔和急轉彎（保持在 135°或更大角度），并且印制線應以穩固的地平面為基準，不得有切斷和分叉，以防止阻抗不連續（圖 2）。

圖 2：將 USB 主機連接到轉接驅動器和連接器的印制線應采用高速信號設計最佳實踐。例如，轉彎應限制在 1350 以限制干擾。（圖片來源：Texas Instruments）

組裝了印刷電路板和組件之后，開發人員就可以配置信號調節參數以滿足特定通道的特定特性。

NXP Semiconductors 的 PTN36043BXY USB 3.0 轉接驅動器是現代產品的一個示例。該芯片是一款緊湊型、低功耗、雙差分通道產品，使用 2 對 1 有源開關，帶有集成的 USB 3.0 轉接驅動器。該開關可以將兩個差分信號引導至兩個位置之一，并采用最小化串擾的設計（圖 3）。

圖 3：NXP Semiconductors 的 USB 3.0 轉接驅動器集成了加重、均衡、直流增益和輸出擺幅控制。由于電纜特性在不同方向上各不相同，因此傳輸線和接收器線需要單獨控制。此轉接驅動器結合 USB Type-C 連接器使用，因此它在連接器側具有兩條發射和接收雙絞線。（圖片來源：NXP Semiconductors）

NXP USB 3.0 轉接驅動器允許開發人員調整每個通道（USB 主機到轉接驅動器和轉接驅動器到外設）的加重/去加重、均衡和輸出擺幅。此外，該器件還可通過提高直流增益來補償電纜衰減。

每個通道連接到兩個控制引腳，允許設計人員為給定設置選擇信號調節參數。對于每個通道上的 TX/RX 線路，開發人員可以從九種信號調節組合中選擇（表）。