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USB与HDMI、DisplayPort的高速化已无法止步,因此在为提高客户优势的同时缩短传送距离成为了问题

2018/08/22

开发专栏 NEW

现在,USB与HDMI、DisplayPort等外部设备接口的高速化正在急速行进中。这一现象的背景在于数据的大容量化等。高速化能大幅增加可传送数据的量。其优势非常大。但与此同时,根据用途不同由高速化带来的课题也往往令人烦恼。主要是因为现在传送距离也会相应变短。这一次我们将就外部设备接口的高速化现状和传送距离缩短引起的问题该如何解决进行解说。

高速化正在行进中的外部设备接口

连接电脑本体和其周边设备的外部设备接口,其高速化正在急速行进中(图1)。


外部设备接口有各种各样的种类。其中最具代表性的就是「USB(Universal Serial Bus)」。这是在连接HDD和SSD、USB Memory等存储装置、键盘/鼠标及打印机等时使用。2008年制定的「USB 3.1 Gen1(原先称为USB 3.0)」规格中规定的数据传送速度为5GB/秒;2013年制定的「USB 3.1 Gen2」已一口气提升到了10GB/秒。

此外,连接电脑本体和DVD/Blue-Ray Player・Recorder、机顶盒等影像播放器和Display、投影仪等的HDMI(High Definition Multimedia Interface)的高速化进程也正在加速中。2013年制定的HDMI 2.0规格规定的数据传送速度为18GB/秒(6 GB/秒x 3Lane);仅仅4年后的2017年,HDMI 2.1规格规定的数据传送速度已上升到48GB/秒(12 GB/秒x 4Lane)。

连接电脑本体与Display的接口还有DisplayPort。在2016年制定的最新规格「DisplayPort 1.4」中,其传送速度已高达32.4GB/秒(8.1GB/秒×4Lane)。

数据量大增成为了开端

外部设备接口如此高速化的背景是数据的大容量化。比如畅销款的数码单反相机的像素一般达到3000万像素;而旗舰款已开始超过5000万像素。像素增加每一张照片的图像数据容量也会增加。5000万像素的机型,其RAW数据的话一张照片就会超过60MB;压缩成JPEG也大约会超过17MB。

而拍一次照一般很少只有一张。通常都会拍好几张,有时甚至会拍上数百张。这样一来光图像数据的总量就要达到10GB以上。若使用根据USB 2.0规格的规定数据传送速度在480MB/秒的接口,在数据传送上就需要花好几个小时。这时就需要用到USB 3.0 Gen1/Gen2了。

另一方面,Display的高分辨率化也不可忽视。电脑分辨率正在从WQHD(2560×1140像素)和WQXGA(2560×1600像素)向4K(3840×2160像素)转换。业务用Display中4K已经可以说很普及了,部分已经开始采用8K(7680×4320像素)。分辨率越高,显示的数据量自然越会增加。因此必须采用高速的外部设备接口。因为这些应用上的需求,HDMI 2.1 和DisplayPort 1.4也相继登场了。

高速化带来的烦恼

外部设备接口的高速化其优势非常大。其客户的便利性能大幅提高。但是在不同应用上,高速化的课题也可能带来烦恼。主要课题就是传送距离会变短。

例如USB 2.0能确保5m的传送距离,但USB 3.1 Gen1只能传送2~3m。而且为了尽量确保传送距离,必须使用高频成分衰减较稳定的直径较粗的线缆(图2)。

 
USB 3.1 Gen1时一般会使用直径5mm(AWG30)的比较粗的线缆。线缆变粗就会失去曲率,处理等就会出问题。

这些传送距离变短的课题根据用途不同有时会是致命的。最极端的例子就是机器视觉。机器视觉用途上,在工厂的生产线上,连接主控电脑和摄像机需要用到外部设备接口。一直以来普遍使用的是「Camera link」。其传送距离长达8~10m,基本可以无碍地连接主控电脑和摄像机。

但基于USB3.0规格制定的机器视觉用接口规格「USB3 Vision」,在高速化和成本控制上有着一定优势,但因其规格上的限制,它的无缘线缆在传送距离上不及「Camera Link」。因此有时会出现线缆长度不足,无法连接主控电脑与摄像机的情况。「大部分意见认为机器视觉用途上线缆长度最少也需要5m。因此采用USB3 Vision时,需要设法延长线缆的长度」(Thine Electronics)。

此外,连接电脑与家用游戏机等时使用的VR/AR终端(VR眼镜)上,传送距离太短也成为了一个大问题。因为用户会戴着VR/AR终端移动。为了确保传送品质缩短线缆长度或使设备变重就会限制客户的移动。因此「市场要求需要又长又轻又细」(Thine Electronics)。需要使用直径较细的线缆,并同时实现5m以上的传送距离。

传送信号大幅衰减

外部设备接口传送距离的高速化造成线缆长度变短的原因在于线缆的阻力成分(电阻抗)。电阻抗存在着频率特性,这个值随着频率越高也会增大。高速的外部设备接口传送信号中,会含有很多频率较高的成分(高频成分)。因此,传送信号的高频成分也会大幅度衰减(图2),传送信号也会相应劣化。因此能传送的距离会变短。

要解决这些问题其中一个方法就是活用Redriver IC。Redriver IC能在外部设备接口中插入来实现延长其传送距离的效果(图3)。
 
原理为接收劣化的传送信号,为已衰减的信号频率成分增幅,再将增幅修复到原先水准的信号波形再次传送出去。就是一种「Redriver」。因此使用后能在保持高速传送速度的同时大幅度延长传送距离。

THine Electronics为延长高速外部设备接口的传送距离用途的Redriver IC「THCX222R05」正在产品化中。且我们还准备了Redriver IC上使用的切换卡和转换插头。使用切换卡和转换插头更更简单地延长外部设备接口的传送距离。下一章我们会就Redriver IC技术进行详细介绍。

(待续)

※各图の补充说明

图2 USB线缆的衰减特性
是指每1m USB线缆的衰减特性。频率越高、线缆越细,衰减量就越大。AWG28的直径为0.32mm、AWG30的直径为0.25mm、AWG32的直径为0.2mm、AWG34的直径为0.16mm。(AWG是American Wire Gauge的略称)

注意:文中涉及的各个企业名称、产品名称等都是其各自所有者的商标或注册商标。

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