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隨著當(dāng)今高清視頻技術(shù)的發(fā)展和4K超高清標(biāo)準(zhǔn)的即將出臺(tái)，視頻制作過程中需要更多的帶寬來傳輸源頭(如相機(jī)和存儲(chǔ)器)與匯集處(顯示器和存儲(chǔ)器)之間的視頻數(shù)據(jù)。輸出這些數(shù)據(jù)的傳統(tǒng)方法主要借助于數(shù)據(jù)USB接口或視頻輸出DisplayPort或高清晰度多媒體接口(HDMI)。而Thunderbolt接口的引入簡(jiǎn)化了系統(tǒng)接口配置，僅需一個(gè)接口就可滿足數(shù)據(jù)和視頻的傳輸需求。 隨著視頻分辨率從高清到超高清的升級(jí)，數(shù)據(jù)的傳輸量和速率也在不斷提升。例如，一個(gè)像素分辨率為4096×2160、色彩模式為RGB444、色彩精度為12比特的4K視頻的原始未壓縮比特率為19.11Gbps或2.39Gbps，而這僅僅是一幀視頻的大小，如果存儲(chǔ)時(shí)長(zhǎng)為30s的該視頻，需要71.66GB的磁盤空間。 USB3.0是視頻接口技術(shù)的一個(gè)連接選項(xiàng)。然而，當(dāng)用戶使用硬盤上存儲(chǔ)的視頻進(jìn)行實(shí)時(shí)編輯時(shí)，USB3.0會(huì)導(dǎo)致明顯的遲滯。主要原因在于，雖然擁有5Gbps的數(shù)據(jù)傳輸率，但USB特有的命令集并非是用來處理實(shí)時(shí)視頻傳輸?shù)摹４送猓?dāng)多個(gè)USB裝置以菊花鏈方式連接在一起時(shí)，遲滯時(shí)間會(huì)更長(zhǎng)。 具有10Gbps數(shù)據(jù)速率的Thunderbolt接口可使結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)視頻后期制作的理想速度、最小時(shí)滯和存儲(chǔ)能力。專業(yè)工作室和廣播視頻設(shè)備可在視頻采集卡、存儲(chǔ)設(shè)備、適配器及視頻顯示器中利用這一技術(shù)。此外，與其它串聯(lián)協(xié)議相比，Thunderbolt接口可通過配套電纜以菊花鏈方式最多外連6個(gè)設(shè)備，同時(shí)還不會(huì)大幅降低數(shù)據(jù)開銷。 Thunderbolt簡(jiǎn)介 ThunderboltI/O技術(shù)由Intel公司開發(fā)，每個(gè)接口配備兩個(gè)10Gbps全雙工數(shù)據(jù)路徑鏈路，要比Firewire800接口快達(dá)12倍。Thunderbolt采用64b/66b數(shù)據(jù)編碼格式，而Intel開發(fā)的接口控制器可將PCI–Express和DisplayPort復(fù)用成為一個(gè)單數(shù)據(jù)流。Intel公司開發(fā)的第一代控制器代號(hào)為L(zhǎng)ight Ridge，隨后的第二代、第三代控制器代號(hào)分別是Cactus Ridge和Redwood Ridge，而新一代(第四代)控制器的代號(hào)是Falcon Ridge。 在主機(jī)設(shè)備中，控制器從I/O控制器集線器中獲取PCI–Express數(shù)據(jù)，從I/O控制器中的負(fù)信號(hào)或如圖1所示的外部圖形控制器中獲取DisplayPort數(shù)據(jù)。接下來，該組合信號(hào)通過全雙工差分信號(hào)發(fā)出。一般情況下，每個(gè)控制器配備兩個(gè)端口，可進(jìn)行菊花鏈方式的連接。 Thunderbolt采用的是已有的迷你DisplayPort連接器，并已針對(duì)Thunderbolt信號(hào)的特點(diǎn)對(duì)該插槽進(jìn)行了重新設(shè)計(jì)。Thunderbolt還可兼容標(biāo)準(zhǔn)DisplayPort連接。 表1中對(duì)比了映射到迷你DisplayPort連接器上的Thunderbolt信號(hào)和標(biāo)準(zhǔn)DisplayPort信號(hào)。線纜可以是電纜或光纜，但無(wú)論哪一種線纜都必須要保持活動(dòng)狀態(tài)以確保接收端信號(hào)的完整性。對(duì)于處于活動(dòng)狀態(tài)的銅纜，最大長(zhǎng)度約為3m，而光纜的長(zhǎng)度可擴(kuò)展至數(shù)十米。外圍系統(tǒng)會(huì)接收Thunderbolt信號(hào)，并將其送至另一控制器中，使其在終端提取PCIExpress與DisplayPort信號(hào)。 迷你DisplayPort連接器可在本地DisplayPort模式或Thunderbolt模式下工作，但由于使用的是同一引腳，這兩種工作模式無(wú)法同時(shí)實(shí)現(xiàn)。如圖2所示，控制器外部會(huì)設(shè)一個(gè)MUX集成電路(IC)，用來控制Thunderbolt模式信號(hào)或DisplayPort模式信號(hào)的切換。 高速信號(hào)設(shè)計(jì)的挑戰(zhàn) 對(duì)設(shè)計(jì)工程師來說，信號(hào)完整性是10Gbps以上數(shù)據(jù)速率傳輸所面臨的一大挑戰(zhàn)。這一問題一般是由信號(hào)本身的電磁特性引起的，會(huì)導(dǎo)致EMI/EMC信號(hào)衰減，進(jìn)而縮短接收或終端側(cè)的時(shí)間窗口并導(dǎo)致信號(hào)質(zhì)量惡化。在設(shè)計(jì)過程中，工程師必須特別注意反射噪聲、電源噪聲和串?dāng)_噪聲的影響。通過電路板中殘段(stub)產(chǎn)生的阻抗失配反射可使噪聲隨著不斷增大的頻率/距離而增強(qiáng)。因此，應(yīng)避免在PCB各層之間使用語(yǔ)音干擾分析裝置(VIAS)。 在走線布線期間，應(yīng)使10Gbps信號(hào)駐留在PCB的某一層上，而不要穿越其它層。所有線路都應(yīng)避免90°的彎曲，理想狀況是徑向彎曲或大于135°的彎曲，如圖3所示。在高頻率信號(hào)設(shè)計(jì)中應(yīng)設(shè)置至少4個(gè)PCB層：10Gbps信號(hào)層、數(shù)字邏輯控制信號(hào)層、電源層和接地層。 將終端電阻置于接收端可最大限度地降低生成的殘段長(zhǎng)度。在一個(gè)普通的電路線路布局中，生成的殘段始于主要的差分信號(hào)對(duì)到終端連接器，且線路長(zhǎng)度應(yīng)為最短。最佳方法就是將Thunderbolt接口芯片置于距離連接器最近的地方。 使用契合阻抗差分線路。可使用緊密耦合的邊緣耦合帶狀線或微帶線，以確保接收器能夠抑制共模噪聲(如圖4所示，s距離被最小化)。將10Gbps差分對(duì)視為一個(gè)獨(dú)特的信號(hào)，通過抑制或縮小線路的傾斜度來保持平衡。 高速接口設(shè)備周邊的供電設(shè)計(jì)也是一個(gè)重要的考量因素。良好的供電設(shè)計(jì)是在電源和接地層中使用薄膜電介質(zhì)(2mil~4mil，1mil=0.0254mm)，從而為PCB電源電路創(chuàng)造一個(gè)平面電容，并將電源層和接地層用作旁路電源。這樣一來就可以很容易地增加額外的外部旁路電容器，同時(shí)也可以節(jié)約BOM成本。剩余的外部旁路可使用小型(0603)X7R電容器，然后要密切留意這些電容器的共振頻率，因?yàn)檫@有可能會(huì)導(dǎo)致旁路功能失效。 另外一個(gè)需要密切留意的參數(shù)就是抖動(dòng)。這種信號(hào)失真形式會(huì)沿著數(shù)據(jù)路徑累積，分隨機(jī)性抖動(dòng)(Rj)和定量性抖動(dòng)(Dj)兩種。所有的導(dǎo)電材料都會(huì)出現(xiàn)一定程度的信號(hào)衰減，因而會(huì)抑制抖動(dòng)并縮小數(shù)據(jù)路徑接收端的眼圖開口度。使用再驅(qū)動(dòng)器/中繼器等信號(hào)完整性產(chǎn)品可恢復(fù)眼圖質(zhì)量并減小比特誤碼率(BER)。 由于時(shí)間窗口較小，10Gbps數(shù)據(jù)傳輸速率更易受抖動(dòng)的影響。阻抗失配可以減少時(shí)間抖動(dòng)容許量。配有適當(dāng)濾波和旁路功能的清潔電源對(duì)于減少抖動(dòng)來說也是非常必要的。為此，應(yīng)在有源IC的各個(gè)VCC引腳旁安裝一個(gè)低ESR的0.1μF去耦電容器。 控制器與迷你DP連接器之間視頻與非視頻數(shù)據(jù)都會(huì)復(fù)用和路由至迷你DP連接器上，這是通向外部空間的一個(gè)主要Thunderbolt接口。Thunderbolt控制器配有一個(gè)內(nèi)部處理器，可控制外部MUXIC的切換。連接器配有一個(gè)熱插拔檢測(cè)(HDP)引腳，可根據(jù)插入設(shè)備類型告知處理器切換到相應(yīng)信號(hào)(如表2所示)。 針對(duì)Thunderbolt控制器與連接器之間的MUXIC，可從 p位于Thunderbolt控制器、MUXIC與連接器之間的10Gbps差分對(duì)是十分關(guān)鍵的信號(hào)路徑。一般會(huì)有兩個(gè)10Gbps發(fā)送信號(hào)對(duì)(HS0TX與HX1TX)和兩個(gè)10Gbps接收對(duì)(HS0RX與HS1RX)。HS1RX差分信號(hào)對(duì)通過3:1MUX進(jìn)行切換，因此要確保MUX的動(dòng)態(tài)特性參數(shù)(如差分插損、差分回?fù)p、串?dāng)_、隔離性及傾斜度)不會(huì)導(dǎo)致10Gbps信號(hào)惡化。所有的10Gbps信號(hào)必須位于同一PCB層上，不應(yīng)穿過其它任何一層。這些信號(hào)應(yīng)呈條狀線或微帶線分布，且應(yīng)完美契合，以避免出現(xiàn)傾斜。 接口中有多個(gè)10Gbps差分信號(hào)對(duì)。使用微帶線時(shí)，為了實(shí)現(xiàn)最佳的信號(hào)完整性，應(yīng)確保兩個(gè)差分信號(hào)對(duì)之間的距離(D)為差分信號(hào)間缺口距離的兩倍以上，這樣就可以最大限度地減少兩個(gè)差分信號(hào)對(duì)之間的串?dāng)_。當(dāng)差分信號(hào)對(duì)離開MUXIC或控制器IC時(shí)，將差分線路(S)的長(zhǎng)度設(shè)為3H,具體細(xì)節(jié)參考圖5。 所有的高速及低速差分對(duì)都會(huì)AC耦合到Thunderbolt控制器中。根據(jù)Thunderbolt互聯(lián)規(guī)范，10Gbps接收路徑的AC耦合電容器值應(yīng)介于0.34μF和0.6μF之間，發(fā)送路徑的值應(yīng)介于0.17μF~0.3μF之間。在該示例設(shè)計(jì)中，發(fā)送路徑上使用的是0.22μF的電容器，而接收路徑上使用的是0.47μF的電容器。此外，AC耦合電容器的大小應(yīng)與微帶線PCB線路的寬度相匹配，以減少信號(hào)丟失或阻抗失配。如圖6所示，電容器應(yīng)并行放置，且彼此之間不得相互抵消。更可取的做法是將電容器置于傳輸線對(duì)的終端。 在整體設(shè)計(jì)過程中，在控制器與連接器之間使用低成本ThunderboltMUX可最大限度地減少外部組件的數(shù)量。這樣一來，只要滿足了所有高速電路板設(shè)計(jì)指南的要求，這一架構(gòu)方案就可使速率高于10Gbps的信號(hào)以一種直接、可靠的方式進(jìn)行路由。 |
