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高速互聯中的ReDriver/Repeater和Retimer

印寧華|Indining China|

2022-03-18 02:47:29 222

近段時間發了些科普文章，里面提到了PD, TYPE-C, GMSL/LVDS, TMDS等最小差分對信號。

網友間的聊天交流記錄：
"通常這么低的電壓都是處理稍微高速一點數字信號的"
“通常是這樣理解的，知道為什么嗎？”

“低壓器件速度會快一些，功耗正比于cv*2f”

“很好這里提到了C,也就是FET管子的充放電容，制程越低C會越小，消耗的焦耳數就會小一些。頻率越高,差值就顯著了”

“所以，我們看到的GMSL/LVDS，SerDES, TMDS等高速互聯都是采用的最小差分對的方式通信傳輸”

下面小編就針對高速互聯里常提到的ReDriver和Retimer詳細闡述

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USB-REDRIVER-EVM USB 2.0 & USB 3.0 redriver evaluation module board image

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背面放大的USB3.0的ReDriver Demo 示意

提到ReDriver和Retimer概念之前，我們需要及時復習一下 :)

信號完整性 SI(Signal Integrity)

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軌道塌陷

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信號的反射

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有兩種特殊情況的反射,一種是末端開路，另一種是末端短路。末端開路時, Z2＝無窮大。所有的入射全部反射且幅度與入射相同，極性也相同。此時的末端電壓是入射的2倍。

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在高速串行通道的信號完整性（Signal Integrity）傳輸中，需要使用Redriver/Repeater 和Retimer來保證信號傳輸的質量。

信號完整性. ReDriver/中繼器/信號調理器

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常見的QSFP+和USB3.0有源電纜 ReDriver/Repeater TX/RX電路中繼示意

ReDriver，也稱為中繼器IC，再生信號以提高高速接口的信號質量。更快的信號頻率使設計者有更少的信號裕度來設計可靠、高性能的系統.使用均衡，預強調和其他技術，一個單一的RedRiver可以調整和糾正已知的信道損耗在發射機和恢復信號完整性的接收器。這將在接收機處形成一種眼圖，以提供低誤碼率(BER)的可靠通信所需的邊距。

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ReDriver，可以重新產生訊號，在高速接口上增加訊號質量。高速的訊號頻率造成設計上可用的寬裕度降低，增加設計耐用、高性能系統的難度。透過使用同等化(equalization)、預強調(pre-emphasis)和其他技術，可讓單一ReDriver調整與矯正傳輸端上頻道的損失，并在接收端上恢復訊號完整性。因此可以在接收端產生寬裕度足以滿足傳送可靠訊號、減少訊號錯誤率的眼圖。

再驅動器(中繼器集成電路)是解決日益增加的設計復雜性的關鍵技術，當今高速互連的更高數據速率在每個行業和協議中都引入了這一技術。

為了在整個信號鏈中實現更好的信號完整性，基于其行業*的信號調理技術提供了重新驅動器。與基于協議的信號轉發器相比，轉發器提供了更好的性能，基于協議的信號轉發器充當必須終止然后重發信號的端點，因此引入了延遲并增加了系統成本。此外，重新驅動器通過在物理層調節和傳遞信號來最小化抖動。

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瑞薩的HDMI 4x TMDS Regeneration Extender w/Mux
內帶CDR Retimer重建時鐘功能，對傳輸電纜失配引入的抖動具較好的補償

ReDriver是解決設計復雜設計難題的關鍵的技術，現今各種應用的高速鏈接所需的高速數據傳輸通訊協議都可以應用。ReDrivers提供比基于協議訊號更好的性能，不需要在終端點終止信號，然后重新傳送，因此消除延遲和附加系統成本。此外ReDrivers調節與傳遞訊號是透過物理層工作，因此有最少的訊號抖動。

目前在USB3.0m,4K DISPLAY 等需要高速傳輸的接口中使用ReDrvier,作為信號調節器。可以保證信號傳輸完整性。

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應用于汽車電子高速互聯通信和USB電纜的ReDriver示意

ReDriver也稱Repeater（中繼）和Retimer都屬于信號調理(Signal Conditioning)芯片，它們的作用都是信號均衡和增強作用，但是在具體實現功能方面有些區別。

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內置了Retimer功能的SFP+/QSFP+ 低功耗多速率四通道重定時器

Retimer就類似于一個PHY芯片，其信號在經過Retimer的時候，通過內部的時鐘重構信號，使其信號傳輸能量增加，然后再繼續傳輸。Retimer是內部具有CDR(數據時鐘恢復)的IC，本質是采用了PLL鎖相環對各連接器通道的串擾（Cross Talk）及電纜和線路板阻抗失真引入的時鐘抖動（Jitter）實現數據的恢復之后然后再此按照串行通道把信號發送出去。可以減輕信號的抖動。因此，除了具有Repeater的全部功能以外，額外增加了CDR功能，能夠有效去除接收信號的Jitter

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典型的多路25GBps光收發器，每一路都有retimer

延伸拓展：

Advanced Retimer (Retimer with DFE)

除了具備Retimer的全部功能以外，還集成了多個tap的DFE，可以有效減少接收信號的Crosstalk

Re-driver的作用只是增強原有的信號，在物理層補充能量，而Re-timer則是把前一級的信號進行重構然后再發送出去。產生了時鐘，并恢復了數據。

中繼補償傳輸信道耗損　Retimer確保訊號完整性

USB Type-C（也作USB-C）支持最新的USB 3.2標準。特性完備的USB-C電纜可支持10Gbps的數據吞吐量，是USB 3.2 Gen1標準的兩倍。根據DisplayPort 1.4標準，在每路顯示輸出中該電纜支持四信道，每信道數據傳輸率可達8.1Gbps。DisplayPort則是以數據報的形式通過數字接口同時傳輸高分辨率音視頻信號，總帶寬可達32.4Gbps。高速的數據傳輸率和常見的嵌入式時鐘架構的結合，有助于在差分訊號對信道中傳輸海量的數據和影音頻號。

訊號完整性成高速訊號傳輸挑戰

高速訊號在通過電纜或印刷電路板傳輸時，衰減現象很嚴重，甚至會導致訊號畸變。訊號通常透過傳輸線路傳輸，長度為10到12英吋的傳輸線路導致的通道插入損耗達20dB或更高。此外，反射、串擾、雜波訊號和散射都會導致訊號完整性與眼圖區間惡化。訊號傳輸距離增加導致訊號衰減程度加重且訊號質量下降，進而導致數據位錯誤，無法在遠程或接收端成功復原傳輸的訊號。

為避免或減輕這種現象，須為數據傳輸率為8.1Gbps以上的串行接口設置中繼器，以濾除隨機雜波和系統噪聲，使訊號符合規范要求。中繼器通常部署在信道途中，以補償信道損耗。目前有兩種類型的中繼器：Retimer和Redriver。Retimer可對來自上游信道的訊號進行均衡，使用CDR恢復時鐘訊號，并生成數字應激訊號，傳送至下游信道。Redriver可均衡來自上游信道的訊號并將其傳送至下游通道。它的輸出訊號在輸入訊號的連續驅動下生成。Redriver不包含CDR，也不執行復位時操作。

桌機/筆電USB-C與USB-A接口訊號改善方案

在所有互聯協議中，數據傳輸速率不斷提高，對CPU的性能要求更高，進而提升整個信道的數據傳輸速率。當主流CPU供貨商不斷減小其芯片尺寸以降低功耗、維持性價比時，這種情形尤其明顯，最終導致保證訊號符合規范要求的最大傳輸路徑長度不斷縮短。

英特爾（Intel）的CNL和CFL平臺USB3.1 Gen 2應用設計指南建議OEM廠商在使用USB-C接頭時，使用基于Retimer的主動復用解決方案；在使用USB Type-A接頭時，使用Retimer方案，以保證訊號完整性，獲得更好的JTOL區間。Retimer應用必須符合USB 3.2規范的附錄E，在USB 3.2 Gen2模式下能夠提供23dB的損耗補償。

USB 3.2規范定義了以下兩種類型的Retimer：

SRIS Retimer 在SSC無關參考時鐘（Separate Reference clock Independent of SSC， SRIS）Retimer應用中，傳輸時鐘訊號來自本地參考時鐘，與接收端復原的時鐘訊號無關。

BLR 數據位Retimer（Bit-Level Retimer， BLR）的應用中，傳輸時鐘訊號來自接收端復原的時鐘訊號（鏈路訓練的某些階段除外）。

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對桌機/筆電的USB-C插入損耗進行補償設計

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