为影音传输打开新世界大门,Type-C有啥好处?

Type-C应用热潮升温,透过替代模式(Alt Mode)可使Type-C顺利传输DP、HDMI、MHL等影音频号。 不过,影音传输与数据传输有不同要求,为满足影音传输应用,半导体商推出高效转接驱动器,以强化Type-C接口在替代模式下传输数据的讯号质量。

每年,数十亿台用于个人电子设备、运算、通讯、汽车和工业等领域的通用串行总线(USB)装置于世界各地被售出运算。 随着USB发展成为USB Type-C,经由单一电缆将数据、影片和电源传输(PD)相整合的独特能力激发了许多创新产品的灵感。

Type-C PD透过USB电缆提供高达100W的功率,并透过Type-C配置替代模式。 该配置使得显示接口(DP)、高画质多媒体接口(HDMI)、Thunderbolt、行动高画质连接(MHL)和快捷外设互联标准(PCIe)等其它协议能够通过Type-C电缆进行传递。

举例来说,透过Type-C替代模式连接的DP,使串流影片以及USB数据能够透过一般的Type-C连接器同时进行传输。 这一种传输方式大大地简化了装置接口并且减少空间,进一步使得USB能够更普遍地实现高达数千兆位的连接。

Type C接口将使USB应用更普及
开发于90年代,USB现已成为最成功的运算接口。 经过传输标准的进化,处理能力从1.5Mbit/s提升至10Gbit/s(图1)。

 


图1 USB标准演进示意图


由于运算平台趋向更小更轻的外观尺寸,并使用较少的实体连接器,因此2014年推出的Type-C连接器便将所有USB连接器整合于一更小、可翻转的接口,并透过单一接口统一数据、影片和高达100W的电源传输。 Type-C将使USB更广泛地被应用于行动电源、运算、影音串流、行动装置、家电、车用和工业领域当中。

USB Type-C是一种拥有小外观尺寸、厚度小于3mm的可翻转接口。 通过埠/插座和插头中针脚的双冗余实现了电缆的可翻转能力。 针脚的导向是藉由电缆定位的多任务进行处理。

如图2所示,Type-C埠/插座针脚包括USB 2.0 D+/D-数据总线、USB 3.1收发器/接收器(TX/RX),以及用于电缆连接侦测、电缆定位侦测、功能侦测和电流模式侦测的配置信道(CC)。

 


图2 USBType-C插座针脚分配


一个未使用的CC针脚变成VCONN针脚,为主动电缆和转接器提供电源。 VBUS针脚用于电缆总线电源,GND针脚用于接地电缆。 频带使用(SBU)并不适用于USB,但可于替代模式中使用,例如使用Type-C连接的DisplayPort。

Type-C有三种模式,其取决于是否位于主机还是装置端。 主机模式是由USB主机使用。 支持主机模式的接口为下行数据流埠(DFP)。 装置模式由USB从机使用。 支持装置模式的端口是上行数据流埠(UFP)。 双重角色模式可以是主机或从机。 而支持双重模式的端口是双重用途埠(DRP)。

除了通过USB连接进行传输的USB(例如DisplayPort、HDMI、MHL或Thunderbolt),Type-C替代模式规格与更多通过Type-C接口连接的协议兼容。 只能通过结构化供货商自定消息(VDM)下的USB PD交握协议启用替代模式来发现、配置和进入或退出替代模式。 该模式透过多个高速信道和开放式SBU信道,实现高度弹性。

图3的步骤表示Type-C替代模式的配置序列:

 


图3 交替模式配置序列


. 1. 透过CC连接侦测USB连接。

. 2. 500mA时默认功率于VBUS针脚上可达5V。

. 3. 电池充电1.2版(BC 1.2)或USB PD皆可藉由VBUS进一步将USB PD调节至所需电源。

. 4. USB PD透过使用结构化供货商自定消息(VDM)来调整替代模式的交握协议。

. 5. USB装置列举。

. 6. 如果完成了DP替代模式的协调,继续进行DP链路训练以建立DP链接。

. 7. 可透过Type-C使用USB和DP信道进行数据和影片传输。

支持替代模式 多任务器不可或缺

根据特定交替模式标准的需求,单个或多个通讯协议可以驻留在单个Type-C接口上。

例如,影片电子标准协会(VESA)推出针对Type-C标准的DisplayPort Alt Mode可使四个DisplayPort信道同时用于传输,亦同时支持USB 3.1接口和DisplayPort。 由于Type-C具有多个通讯协议支持和可翻转的双向端口,需要不同通讯协议间的多任务将影片和数据源链接到适当的目的地。

在来源端,多任务器(mux)接收USB和DP信道,并将其切换到适当的高速信道。 在目标端,多任务器将Type-C连接器的四个高速信道用作输入,随后将讯号分配到相应的USB接收器或DP接收端。 图4显示了从来源端到目标端及多任务器位置的高阶替代模式通讯数据路径。

 


图4 USB TYPE C替代模式端对端连接。

 

DisplayPort为支持影片主流规格
DisplayPort是现今最普遍用来支持高分辨率影片的替代模式。 为满足不同应用的需求和Type-C连接器的翻转能力,一个讯号多任务器需要支持四种不同的讯号配置用例:

. 单一埠USB接口加上一个双信道DP接口用来同步传输数据和影片。

. 单一埠USB接口加上一个带Type-C连接器的双信道DP接口翻转方向。

. 四信道DP接口专用的应用。

. 具有Type-C连接器翻转方向,四信道且专用于DP接口除此之外,DP辅助讯号使用SBU1 和 SBU2 讯号针脚,而DP热插入侦测(HPD)讯号则嵌入在 USB PD讯息中使DP应用被完善的利用。

DisplayPort链接调训是指藉由优化DisplayPort来源端和目标端之间的链接以达到稳定串流影片的目标。 DP讯号通路里的装置,如在通路中作为讯号调节器的转接驱动器和开关无法被系统辨识,可能会阻碍链接调训的过程,进而导致不稳定的来源端和目标端的设置。

其结果将导致影片连接失败或失帧,造成令人无法接受的用户体验。 一个设计良好的替代模式开关必须是透明的,并且不会干扰或打断DP链接调训,这使得替代模式能有助于在来源端和目标端之间建立起最佳的DP信道。

Type-C替代模式的开关可以是被动或者驱动的。 被动开关为双向的,因此可以放置在来源端或者目标端。 驱动开关是由像是PD控制器这类的外部装置决定其数据通路的单一方向。

USB的速度在USB3.1 Gen 2规格时10Gbits/s,DP在DP1.3和1.4时可达8.1Gbits/s,数千兆位的讯号在通过印刷电路板(PCB)走线、开关、连接器和电缆时很容易遭遇讯号衰减,因此经常需要内嵌一个讯号调节器在主动开关内来补偿信道损失。

线性与限制性转接驱动器之比较
如图6所示,转接驱动器内含一个接收器和一个发射器,利用其均衡器(EQ)的功能于接收器调节讯号。 实质上,转接驱动器会为输入端的信道损耗提供补偿,如果讯号未达到均衡,则会导致出现额外的可决定性量测的抖动。 均衡讯号会透过发射器向外输出。

 


图5 不同的交替模式连接图

 

发射器也可以对讯号进行削弱(DE)或预先加强(PE)。 削弱实质上就是对讯号的低频分量进行适当的削弱,而预先加强则是对讯号的高频分量进行适当的提升。 这两种技术都能对连接至转接驱动器发射器侧的输出信道的缺失进行预先的补偿。

转接驱动器又可以进一步划分为线性和限制性两种。 如果输入和输出讯号在一定振幅范围内,输出讯号的幅度与输入讯号的幅度之间呈线性函数关系,则称这种转接驱动器为指定输入输出振幅范围内的线性转接驱动器,否则称为限制性转接驱动器。

当讯号通过一个被动介质(如印刷电路板上的走线)时,会呈线性地衰减。 也就是说,无论在走线输入时的讯号幅度是多少,走线都会按一定比例对讯号产生衰减。 一款良好的转接驱动器则与此相反。 无论输入讯号的幅度是多少,转接驱动器都会以相同的比例来增强讯号幅度。 这样的转接驱动器就是线性转接驱动器。 这类转接驱动器的使用效果与移除或缩短电路板走线相同。 从这个意义上来说,线性转接驱动器非常适合DisplayPort等包含来源端和目标端链接调训的的协议。 Type-C替代模式的主动开关可以内设一个线性转接驱动器,对信道进行均衡以提高讯号的质量。 转接驱动器是定向的,它能朝单一方向传送讯号,因此,来源端和目标端两侧都各需要一个Type-C替代模式转接驱动器或开关。 图7所示为来源端与目标端的转接驱动器使用案例的对比情况。

 


图7 来源端和目标端替代模式转接驱动器。

 

为了减少针脚输出,有些处理器会在内部多任务DP和USB传输信道,因此就会产生与Type-C连接器相连的4条高速信道。 由于这4条传输信道为双向,且每一条信道都能配置为DP或USB,因此对这四条信道进行转接驱动有相当的挑战性。 此时就需要采取附加措施来实现这类双向、多协议的转接驱动能力。

另一个此类双向运用的用例是在Type-C电缆内运用转接驱动器来提高电缆讯号输出的完整性。 对于线性转接驱动器来说,其配置不受限制。 电缆内可以放置两个转接驱动器(两端各一个),用来进一步提升讯号质量。

透过替代模式的USB Type-C汇合影片和数据,因为其小形状系数的装置、更轻且通用的多功能电缆,为消费者带来所需的便利,并且能够以更快的速度作数据传输、串流高画质的影片以提升用户体验。

  • 2015-08-03
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