為影音傳輸打開新世界大門,Type-C有啥好處?

Type-C應用熱潮升溫,透過替代模式(Alt Mode)可使Type-C順利傳輸DP、HDMI、MHL等影音頻號。 不過,影音傳輸與數據傳輸有不同要求,為滿足影音傳輸應用,半導體商推出高效轉接驅動器,以強化Type-C接口在替代模式下傳輸數據的訊號質量。

每年,數十億臺用于個人電子設備、運算、通訊、汽車和工業等領域的通用串行總線(USB)裝置于世界各地被售出運算。 隨著USB發展成為USB Type-C,經由單一電纜將數據、影片和電源傳輸(PD)相整合的獨特能力激發了許多創新產品的靈感。

Type-C PD透過USB電纜提供高達100W的功率,并透過Type-C配置替代模式。 該配置使得顯示接口(DP)、高畫質多媒體接口(HDMI)、Thunderbolt、行動高畫質連接(MHL)和快捷外設互聯標準(PCIe)等其它協議能夠通過Type-C電纜進行傳遞。

舉例來說,透過Type-C替代模式連接的DP,使串流影片以及USB數據能夠透過一般的Type-C連接器同時進行傳輸。 這一種傳輸方式大大地簡化了裝置接口并且減少空間,進一步使得USB能夠更普遍地實現高達數千兆位的連接。

Type C接口將使USB應用更普及
開發于90年代,USB現已成為最成功的運算接口。 經過傳輸標準的進化,處理能力從1.5Mbit/s提升至10Gbit/s(圖1)。

 


圖1 USB標準演進示意圖


由于運算平臺趨向更小更輕的外觀尺寸,并使用較少的實體連接器,因此2014年推出的Type-C連接器便將所有USB連接器整合于一更小、可翻轉的接口,并透過單一接口統一數據、影片和高達100W的電源傳輸。 Type-C將使USB更廣泛地被應用于行動電源、運算、影音串流、行動裝置、家電、車用和工業領域當中。

USB Type-C是一種擁有小外觀尺寸、厚度小于3mm的可翻轉接口。 通過埠/插座和插頭中針腳的雙冗余實現了電纜的可翻轉能力。 針腳的導向是藉由電纜定位的多任務進行處理。

如圖2所示,Type-C埠/插座針腳包括USB 2.0 D+/D-數據總線、USB 3.1收發器/接收器(TX/RX),以及用于電纜連接偵測、電纜定位偵測、功能偵測和電流模式偵測的配置信道(CC)。

 


圖2 USBType-C插座針腳分配


一個未使用的CC針腳變成VCONN針腳,為主動電纜和轉接器提供電源。 VBUS針腳用于電纜總線電源,GND針腳用于接地電纜。 頻帶使用(SBU)并不適用于USB,但可于替代模式中使用,例如使用Type-C連接的DisplayPort。

Type-C有三種模式,其取決于是否位于主機還是裝置端。 主機模式是由USB主機使用。 支持主機模式的接口為下行數據流埠(DFP)。 裝置模式由USB從機使用。 支持裝置模式的端口是上行數據流埠(UFP)。 雙重角色模式可以是主機或從機。 而支持雙重模式的端口是雙重用途埠(DRP)。

除了通過USB連接進行傳輸的USB(例如DisplayPort、HDMI、MHL或Thunderbolt),Type-C替代模式規格與更多通過Type-C接口連接的協議兼容。 只能通過結構化供貨商自定消息(VDM)下的USB PD交握協議啟用替代模式來發現、配置和進入或退出替代模式。 該模式透過多個高速信道和開放式SBU信道,實現高度彈性。

圖3的步驟表示Type-C替代模式的配置序列:

 


圖3 交替模式配置序列


. 1. 透過CC連接偵測USB連接。

. 2. 500mA時默認功率于VBUS針腳上可達5V。

. 3. 電池充電1.2版(BC 1.2)或USB PD皆可藉由VBUS進一步將USB PD調節至所需電源。

. 4. USB PD透過使用結構化供貨商自定消息(VDM)來調整替代模式的交握協議。

. 5. USB裝置列舉。

. 6. 如果完成了DP替代模式的協調,繼續進行DP鏈路訓練以建立DP鏈接。

. 7. 可透過Type-C使用USB和DP信道進行數據和影片傳輸。

支持替代模式 多任務器不可或缺

根據特定交替模式標準的需求,單個或多個通訊協議可以駐留在單個Type-C接口上。

例如,影片電子標準協會(VESA)推出針對Type-C標準的DisplayPort Alt Mode可使四個DisplayPort信道同時用于傳輸,亦同時支持USB 3.1接口和DisplayPort。 由于Type-C具有多個通訊協議支持和可翻轉的雙向端口,需要不同通訊協議間的多任務將影片和數據源鏈接到適當的目的地。

在來源端,多任務器(mux)接收USB和DP信道,并將其切換到適當的高速信道。 在目標端,多任務器將Type-C連接器的四個高速信道用作輸入,隨后將訊號分配到相應的USB接收器或DP接收端。 圖4顯示了從來源端到目標端及多任務器位置的高階替代模式通訊數據路徑。

 


圖4 USB TYPE C替代模式端對端連接。

 

DisplayPort為支持影片主流規格
DisplayPort是現今最普遍用來支持高分辨率影片的替代模式。 為滿足不同應用的需求和Type-C連接器的翻轉能力,一個訊號多任務器需要支持四種不同的訊號配置用例:

. 單一埠USB接口加上一個雙信道DP接口用來同步傳輸數據和影片。

. 單一埠USB接口加上一個帶Type-C連接器的雙信道DP接口翻轉方向。

. 四信道DP接口專用的應用。

. 具有Type-C連接器翻轉方向,四信道且專用于DP接口除此之外,DP輔助訊號使用SBU1 和 SBU2 訊號針腳,而DP熱插入偵測(HPD)訊號則嵌入在 USB PD訊息中使DP應用被完善的利用。

DisplayPort鏈接調訓是指藉由優化DisplayPort來源端和目標端之間的鏈接以達到穩定串流影片的目標。 DP訊號通路里的裝置,如在通路中作為訊號調節器的轉接驅動器和開關無法被系統辨識,可能會阻礙鏈接調訓的過程,進而導致不穩定的來源端和目標端的設置。

其結果將導致影片連接失敗或失幀,造成令人無法接受的用戶體驗。 一個設計良好的替代模式開關必須是透明的,并且不會干擾或打斷DP鏈接調訓,這使得替代模式能有助于在來源端和目標端之間建立起最佳的DP信道。

Type-C替代模式的開關可以是被動或者驅動的。 被動開關為雙向的,因此可以放置在來源端或者目標端。 驅動開關是由像是PD控制器這類的外部裝置決定其數據通路的單一方向。

USB的速度在USB3.1 Gen 2規格時10Gbits/s,DP在DP1.3和1.4時可達8.1Gbits/s,數千兆位的訊號在通過印刷電路板(PCB)走線、開關、連接器和電纜時很容易遭遇訊號衰減,因此經常需要內嵌一個訊號調節器在主動開關內來補償信道損失。

線性與限制性轉接驅動器之比較
如圖6所示,轉接驅動器內含一個接收器和一個發射器,利用其均衡器(EQ)的功能于接收器調節訊號。 實質上,轉接驅動器會為輸入端的信道損耗提供補償,如果訊號未達到均衡,則會導致出現額外的可決定性量測的抖動。 均衡訊號會透過發射器向外輸出。

 


圖5 不同的交替模式連接圖

 

發射器也可以對訊號進行削弱(DE)或預先加強(PE)。 削弱實質上就是對訊號的低頻分量進行適當的削弱,而預先加強則是對訊號的高頻分量進行適當的提升。 這兩種技術都能對連接至轉接驅動器發射器側的輸出信道的缺失進行預先的補償。

轉接驅動器又可以進一步劃分為線性和限制性兩種。 如果輸入和輸出訊號在一定振幅范圍內,輸出訊號的幅度與輸入訊號的幅度之間呈線性函數關系,則稱這種轉接驅動器為指定輸入輸出振幅范圍內的線性轉接驅動器,否則稱為限制性轉接驅動器。

當訊號通過一個被動介質(如印刷電路板上的走線)時,會呈線性地衰減。 也就是說,無論在走線輸入時的訊號幅度是多少,走線都會按一定比例對訊號產生衰減。 一款良好的轉接驅動器則與此相反。 無論輸入訊號的幅度是多少,轉接驅動器都會以相同的比例來增強訊號幅度。 這樣的轉接驅動器就是線性轉接驅動器。 這類轉接驅動器的使用效果與移除或縮短電路板走線相同。 從這個意義上來說,線性轉接驅動器非常適合DisplayPort等包含來源端和目標端鏈接調訓的的協議。 Type-C替代模式的主動開關可以內設一個線性轉接驅動器,對信道進行均衡以提高訊號的質量。 轉接驅動器是定向的,它能朝單一方向傳送訊號,因此,來源端和目標端兩側都各需要一個Type-C替代模式轉接驅動器或開關。 圖7所示為來源端與目標端的轉接驅動器使用案例的對比情況。

 


圖7 來源端和目標端替代模式轉接驅動器。

 

為了減少針腳輸出,有些處理器會在內部多任務DP和USB傳輸信道,因此就會產生與Type-C連接器相連的4條高速信道。 由于這4條傳輸信道為雙向,且每一條信道都能配置為DP或USB,因此對這四條信道進行轉接驅動有相當的挑戰性。 此時就需要采取附加措施來實現這類雙向、多協議的轉接驅動能力。

另一個此類雙向運用的用例是在Type-C電纜內運用轉接驅動器來提高電纜訊號輸出的完整性。 對于線性轉接驅動器來說,其配置不受限制。 電纜內可以放置兩個轉接驅動器(兩端各一個),用來進一步提升訊號質量。

透過替代模式的USB Type-C匯合影片和數據,因為其小形狀系數的裝置、更輕且通用的多功能電纜,為消費者帶來所需的便利,并且能夠以更快的速度作數據傳輸、串流高畫質的影片以提升用戶體驗。

  • 2015-08-03
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