若是高画质(HD)影像，数据大小高达25GB，转送时间超过10分钟，因此USB2.0的后续规格，USB3.0在2008年11月正式规格化，USB3.0具备以下特征分别是:

‧ 与传统USB2.0完全上位互换。

‧ 转送速度是传统USB2.0的5倍，高达5Gbps。

‧ 降低协议上的过溢(over head)现象，提高实效转送速度。

‧ 考虑移动电子机器应用，特别强化电源管理功能。

上记2小时的高画质(HD)影像数据，USB2.0的转送时间超过10分钟，相较之下USB3.0只需要2～3分钟。表2是USB3.0与USB2.0的特性差异比较一览。

依照转送速度，USB分成:

‧USB1.0/1.1 → 1.5Mbps/12Mbps(LS: Low Speed/ FS: Full Speed)

‧USB2.0 → 480Mbps(HS: High Speed)

‧USB3.0 → 5.0Gbps(SS: Super Speed)

三种版本。

表2 USB3.0与USB2.0的差异比较一览

USB3.0的特征

三个差动对

如图1(a)所示，USB2.0使用2条差动信号对(pair)D+与D-，可以双向送、收讯数据，此外缆线内部有提供USB电源，称作Vbus的5.0V电源与GND，该结构从USB1.0/1.1问世以来，基本上没有太大改变。

USB3.0传送速度高达5Gbps，传统缆线与连接器无法支持，因此不能直接沿用上记传统架构，为确保与传统USB的互换性，如图1(b)所示传统缆线与连接器之外，还追加新型5Gbps通讯用差动信号对SSRx+/SSRx-，以及SSTx+/SSTx-， 等总共4条信号线。

《图一 USB2.0与USB3.0的信号线比较》

如图2所示，USB3.0的缆线与连接器与传统USB具有完全互换性，支持USB3.0的Host能够与USB2.0的组件连接，反过来说USB3.0的组件能够与连接USB2.0的Host连接，此时USB2.0的速度受到限制。换句话说能够以USB3.0的5Gbps动作只有:

‧支持USB3.0的Host

‧USB3.0的缆线

‧USB3.0的组件

三者的组合。

《图二 USB3.0的端子与cbale plug互换性》

《图三 USB3.0与USB2.0缆线的连接组合》

两差动对同时收送讯

如图4(a)所示，USB2.0为双向同步使用2条信号线，这种方式反面缺点只能作半双重通讯，此外送、收讯切换时，必需进行位与文字(word)同步作业，USB3.0变成5Gbps的转送速度，同步作业要求的时间增大，如果改成依照各封包(packet)通讯同步方式，几乎所有时间都花费在同步图形的传递，因此欠缺实用性未被采用。

如图4(b)所示此处送、收讯使用各别同步，总共4条信号线，如此一来就不需要切换数据传输方向，可以同时进行Host至组件，或是组件至Host的全双向数据通讯。

《图四USB3.0超高速同时双向传递资料》

不等待ACK转送数据

图5是USB2.0与USB3.0的数据传输波形，USB2.0的封包之间插入非0与1的共通模式(common mode)电压期间，传送数据后必需等待对方的承认(ACK: Acknowledgement)之后，才能再传送下一个数据。

USB2.0是半双重通讯使用上没有特别问题，全双重通讯的USB3.0，只能交互上行、下行连接，此时效率变成一半，必需改用不等待承认(ACK)反应，就能够开始进行下一个数据传送的瞬间(burst)转送方式。

由图5(b)可知，Host对组件传送二个数据封包，组件则回传二个承认，对第二个数据封包与第一个数据，传递承认的同时没有额外的等待时间。

《图五 USB2.0与USB3.0的数据传输波形》

物理层的处理

接着介绍USB3.0进行5Gbps的通讯技术。图5是USB2.0与USB3.0的物理层送、收讯电路方块图，USB3.0的变更部位分别如下:

a. 追加数据打散(scramble)

b. 变更编码方式

c. 追加接收机均衡器(receiver equalizer)

d. 追加展频式频率(SSC: Spectrum Spread Clock)

《图六 USB3.0的物理层追加、变更功能》

类似USB等序列(serial)通讯，必需将频率埋入序列数据的位列，构成所谓的自我同步(embedded clock)通讯，如图7所示收讯端从数据抽出频率，再以该频率将数据当作样品，收讯端将0、1的变化转换成包含复数字元的图案送讯，使埋入的频率可以再生，该转换称作「编码化」。

USB3.0则变更USB2.0的编码方式，如图8所示相较于USB2.0的数据，USB3.0是以不归零就反向的方式(NRZI:Non Return to Zero Invert,)进行编码。

《图七 USB3.0的收讯作业》

《图八 USB2.0的数据表示方式》

如图9所示USB3.0使用8b/10b的编码方式，8b/10b经常使用在Serial ATA与PCI Express的编码，因此可以轻易将既有的物物理层(PHY: Physical Layer)沿用于USB3.0。

上记编码方法送讯数据位0时，NRZI会改变目前的信号强度(level)(例如0强度时变成1，反过来说强度时变成0)，数据位1时维持目前信号的强度。

《图九 USB3.0的数据表示方式》

NRZI连续六个1的情况，送讯端会插入0，收讯端进行删除0的处理，透过所谓位填塞(bit stuff)，就能够保证六个位内，一定会发生0/1的反相，收讯端就可以进行频率再生。

USB3.0使用8b/10b，8位的数据转换成10位进行送、收讯，它具备以下特征:

‧ 即使连续0或是1的数据，包含许多0与1的变化，被编码成位的图

案，在收讯端就能够轻易进行频率再生。

‧ 0与1的全部被编成相同码，因此可以作已经取得DC平衡的AC整合。

‧ 编码空间扩大8位256类数据以外，追加所谓K码的控制用码。

‧ 码具有冗长性(1024通之中，实际只佣256+K码)，某种程度可以检

测错误。

‧ 数据传输率高达80%(使用10位，8转送位数据)。

所谓打散(scramble)是指持续输出相同数据，也不会反复相同位图形(bit pattern)，虽然将数据与随机数当作XOR同样可以实现上记目的，不过将实际随机数当作XOR，在收讯端无法回复成原来的数据，因此目前大多都使用疑似随机数列。打散具备以下效果:

‧ 输出的信号频率频谱(spectrum)不会偏向特定频率，能够均匀分散。

‧ 1与0均匀分散，频率数据还原(clock data recovery)电路的位追踪性变好。

‧ 抖动(jitter)现象降低。

图10是00h(8b/10b转换后的D10.2码)有无打散时，输出的频率频谱特性，由图可知无打散时特定频率发生峰值，不过施加打散后该峰值就被分散。

无打散时连续输出00h，因此位图形变成一定，频率出现峰值，反过来说09h、E5h、72h、3Dh等随机数列打散(XOR)时，输出数据变成09h、E5h、72h、3Dh，位变化的图形则变成「随机(random)」状态，因此频率分布扩大。

《图十 有(右)无(左)scramble的频率特性比较》

USB2.0的串行解串器(SerDes:Serialization/Deserialization)使用±500ppm的频率，USB3.0为对策电磁干扰(EMI: ElectroMagnetic Interference) ，改用展频频率(SSC: Spread Spectrum Clocking)方式。

使用展频频率(SSC)的主要目，例如上记利用打散技术，某种程度包含在信号列的频率成份会被分散，换句话说刻意改变送讯使用的频率，可以使频率成份更分散，对策电磁干扰(EMI对策变得更容易，因此USB3.0的频率频率在+0ppm～-5000ppm范围，以33k～33kHz周期作周期性变化，频率的中心频率偏差允许±300ppm，配合展频频率的变化，频率可以在最大+300ppm～-5300ppm的范围内变化。

图11是USB3.0的Host输出信号1位时，周期(UI: Unit Interval)的时间变化特性图(time trand)，由图可知时间变化在200ps与201ps之间周期性变化。

《图十一 频谱扩散频率的频率变化》

如图12所示，虽然USB3.0规范成容易沿用PCI Express的物理层(PHY)，不过异步的展频频率与后述的接收机均衡器(receiver equalizer)，与PCI Express截然不同，因此设计USB3.0必需特别注意。

《图十二 USB3.0发生频率差异的原因》

传输线路内部具有等价性与信号传递方向串联的L，以及并联的C，信号频率一旦变高，原传输路径不易流通，而且对接地容易外漏，频率越高损失越大，补偿传输线路的高频成份衰减，因此一般送讯端都会施加解除加重(de-emphasis)进行高速通讯。

如图13所示所谓解除加重，是强化信号值变化时的输出，比该值未变化更强，藉此补偿衰减的高频成份。USB3.0除了施加上记解除加重之外，还要求收讯端进行平均化(equalize)补偿传输线路的衰减成份，因此实际上只要组合C与R，即使是单纯的线线平均化，也能够轻易决定规格。

《图十三 de-emphasis的动作原理》

图14是USB3.0的平均化频率特性，它利用2.5GHz附近信号的增幅，补偿传输线路的衰减成份。

《图十四 de-emphasis的结果》

图15是USB3.0主控制器(host controll)IC「μPD720200」的输出信号，通过3m缆线与30cm基板上的追迹(trace)后的波形，由图15(a)可知，虽然从主控制器IC输出时已经进行解除加重，不过超过该范围时传输线路的损失很大，因此到底是1还是0并不明确无法正常通讯。

图15(b使用参考(reference)解除加重后的波形，由于1与0完全分开，因此可作稳定的通讯。

《图十五 平均化后的的结果(a上) 平均化前的波形 (b下)平均化后的波形》

转送速度实验

图16是USB3.0 Host控制IC「μPD720200」的电路方块图。实验使用上记IC与仿真USB组件设备测试USB3.0的转送速度，因此数据纯属开发期间的实验数据，此外本实验是在下记限制下进行测试:

①. 使用评鉴用仿真USB组件设备进行通讯，非实际USB3.0

②. 件设驱动器与韧体(Firmware)都不是最终版，此外切换(tuning)也不充裕

亦即上记转送速度与IC并非保证值，也不是USB3.0可以获得的性能极限。

实验首先将64k位的数据从组件读入Host，图17是利用协议分析仪撷取该转送的试验结果，它是以183.9μs转送64k位的数据，换句话说此时转送速度变成:

64k位÷183.9μs=356M位/秒

虽然图17显示341M位/秒，主要原因是协议分析仪造成的结果，它比1M位=1024×1024位计算低。

《图十六 USB3.0 Host控制IC的电路方块图》

《图十七 USB3.0的转送试验结果》

结论

以上介绍USB3.0的特征，以及实现5Gbps通讯速度的技术。USB是目前最常见的汇流组件，广泛应用在TV、PC、数字相机、移动电话等携带型数字电子机器。

随着USB的普及化，各半导体厂商陆续开发支持IC，逐渐成为各公司竞相追求的巨大消费市场。