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USB 3.0即將笑傲江湖!
USB 3.0、FireWire、UWB勝負揭曉!

【作者: 鍾榮峰】   2009年03月05日 星期四

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前言

PC、NB等系統與周邊裝置之間的多媒體視訊傳輸應用需求越來越高,因而驅動高速串列傳輸標準朝向Gigabit級不斷提升,USB 3.0、IEEE 1394-2008、UWB這三大主要系統裝置高速傳輸標準的發展進程也有一段時間,從去年底開始彼此之間的競爭態勢也有了此消彼長的變化,今年度或許便可分曉究竟何種標準即將脫穎而出。


USB 3.0 市場應用前景可期

USB-IF最打動消費者的形容,便是可使用USB 3.0在70秒內完成傳輸一張27GB的HD DVD,加上可大幅縮短複製高畫質多媒體視訊影片的時間,這無疑相當吸引消費者的目光。根據In-Stat所公布的「有線USB 2008:SuperSpeed時代即將來臨」(Wired USB 2008:SuperSpeed is Coming)報告中指出,從2009至2012年,USB3.0市場的年複合成長率將超過100%,到2012年將達到超過5億個裝置的出貨量。In-Stat並預估,高速直接連結儲存(DAS)裝置的整體全球市場正以每年將近20%的成長率持續成長,預計到2010年,會達到超過4700萬台的規模。而具成本效益的高速儲存介面控制晶片方案,包括FireWire 1600/3200與USB 3.0等新一代技術,將進一步推動DAS市場的快速成長。


以Intel為主導的USB-IF(USB Implements Forum)期許USB3.0成為SuperSpeed USB,是希望其能真正發揮最大傳輸速率4.8Gbps、以及具備雙向並進數據傳輸的設計特性,因應之間在多媒體視訊影音高容量傳輸的應用需求,以及滿足內建快閃記憶體的裝置在傳輸速度上的需求。


《圖一 SuperSpeed USB驗證商標示意圖》
《圖一 SuperSpeed USB驗證商標示意圖》

USB 3.0開放規格授權有助擴展影響力

USB 3.0在Intel主導加上USB 3.0 Promoter Group的推波助瀾下,預計將在今年底進一步與硬體廠商合作推出相關產品,支援USB 3.0的商業化控制器預計將在今年下半年問世、USB 3.0介面 IC預計明年初問世。支援USB 3.0的消費電子產品也可望於明年正式推出。USB 3.0在技術上有其新意,但簡化相關設計與找到應用最佳切入點,會是USB 3.0能否在今年全球市場經濟衰退的陰影中站穩根基的重要關鍵。


資料傳輸速率可達4.8Gbps的USB 3.0,是由USB 3.0 Promoter Group共同開發,主要成員包括Intel、HP、Microsoft、NEC、NXP與TI等。USB 3.0 Promoter Group已經有超過200家企業加入,也包含AMD與NVIDIA。去年8月Intel以行動粉碎可能暫緩開放USB 3.0標準細節的傳言,公布擴展主控制器界面(Extensible Host Controller Interface;xHCI)草案規範0.9版,以免專利費的授權協議公佈提供給USB 3.0 Promoter Group成員。今年1月中Intel也已經開放USB 3.0標準細節及USB 3.0主控制器(Host Controller)規範,這些均有效化解AMD、NVIDIA、VIA等疑慮,不再考慮另外開發一套獨立標準為USB 3.0應用影響力的擴展奠定良好的基礎。



《圖二 USB 3.0在Intel主導加上USB 3.0 Promoter Group的推波助瀾,可望在今年底推出商業化的控制器 》
《圖二 USB 3.0在Intel主導加上USB 3.0 Promoter Group的推波助瀾,可望在今年底推出商業化的控制器 》資料來源:Intel

USB 3.0晶片Demo已經公開展示

目前包括Fujitsu Microelectronics、Fresco Logic、NEC、PLDA及芯微科技(Symwave),正在進行USB 3.0晶片demo設計;市場傳言AMD也開始跟NEC購買相關IP;而作為USB 3.0 Promoter Group的成員,Microsoft、HP、TI、NEC、ST-NXP和LSI也全力支援推動USB 3.0的市場普及度。去年11月在SuperSpeed USB開發者大會(SuperSpeed USB Developer Conference)上,Symwave便以發表首款USB 3.0實體層方案,美國Fresco Logic則展示利用USB 3.0主控制器和設備控制器IP Core原型,架構一套FPGA展示系統。法國PLDA也公開展示以USB 3.0的IP Core為基礎的FPGA主機板系統。Synopsys則展示出一套可用USB 3.0傳輸未壓縮1080p 30fps的高解析電視視訊傳輸系統,實際有效傳輸速率超過450Mbps。在今年1月CES消費電子大展上,NEC則已公開展示USB 3.0實體層測試晶片原型,堪稱是業界首度展示以USB 3.0 Rev1.0規格為基礎的接收器與發射器樣品。


USB 3.0設計大要

USB 3.0全雙工傳輸效能設計

為因應雙向並進數據傳輸的設計特性,USB 3.0改良USB 2.0兩條對應數據輸入輸出無法同時工作的傳輸設計。USB 2.0的輸入輸出線路無法實現同時工作,即輸入信號時無法輸出。因為USB 2.0的半雙工單工通訊方式,CPU與周邊只能單次且單邊送出訊號,加上USB的通訊方式仰賴CPU,即使CPU再快個10倍,所有控制信號還是需藉由USB傳輸,這也影響USB自身的資料傳輸速率。


在USB 3.0增加的5條線路中,兩條為數據輸出,兩條數據輸入,四條線路可雙向同時傳輸,加上接地線設計,可進一步實現全雙工(Full Duplex)效能,避免USB 2.0半雙工(Half Duplex)的單工通訊作業模式,有效提升USB數據傳輸效率。因應之間在多媒體視訊影音高容量傳輸的應用需求。


USB 3.0中斷驅動協定控制設計

另外USB 3.0採用中斷驅動協定,取代USB 2.0的polling模式,透過點對點連結、而非資料廣播至所有連結設備的通訊協定。在USB 2.0模式即便電腦處於休眠或待機狀態,USB總線控制器仍會定期檢查裝置是否需要傳輸數據。而在USB 3.0模式下,當裝置待機時可完全切斷USB連接,當需要恢復時會自行向控制器發送一個中斷信號,告知控制器開始數據傳輸,中斷驅動協定可能讓主機處理器負載減輕。


《圖三 USB 3.0纜線內部結構示意圖 》
《圖三 USB 3.0纜線內部結構示意圖 》資料來源:fareastgizmos.com

USB 3.0智慧節能控制

此外USB 3.0採用更高的供電協議標準,使接口供電能力亦有所提升,在行動硬碟上也減少額外供電量,USB-Hub也可連接更多的設備。系統耗電在mW/Gbit的基礎上更具優勢,攜電量由500毫安培(milliamps)提升到900毫安培,這可讓提升裝置藉由USB介面充電的速度,並能感測裝置電池是否枯竭,可藉由傳遞細微的電流讓電池枯竭的裝置恢復動力並建立連結。


USB 3.0仍有課題尚待克服

單晶片整合設計複雜度高

不過USB 3.0仍有課題亟待克服。從上述可之USB 3.0傳輸架構與USB2.0並不相同,實體層和控制器設計可說是兩套東西,USB 3.0的向下相容性也意味著要兼容USB 2.0設計,複雜度因此提高。主機控制器(host controller)也必須具備更多智慧功能,才能有效管理資料傳輸路由(routing),但又需兼顧降低邏輯閘及功耗並減少主板面積,所以USB 3.0的整合晶片設計無疑是影響USB 3.0在可攜式裝置及隨身硬碟應用的重要關鍵。


各方支援尚未到位

另一方面或許固態硬碟SSD已經準備好支援USB 3.0,但傳統光碟機和硬碟機等儲存裝置速度能否並進跟上支援,也是一個問題。此外Windows會不會進一步支援USB 3.0 Mass Storage Device驅動程式,仍是未定之天,還需端賴USB 3.0在市場的應用狀況而定。加上由於高傳輸速率牽動電纜線長度的物理限制,USB 3.0的傳輸線可能減少至2公尺,也降低了USB 3.0與HDMI或DisplayPort在平面顯示高速串流傳輸應用的競爭條件。


同時,USB 3.0也面臨IEEE 1394 2008規格(亦俗稱FireWire)在多媒體視訊領域的激烈競爭。原本USB 3.0規格計劃與Wireless USB(亦即UWB 1.1版)平行相容壯大聲勢,不過Intel已從UWB領域抽腿,UWB廠商也受到全球經濟蕭條衝擊而哀鴻遍野。這個策略似乎已經無法奏效。


《圖四 圖為USB 3.0纜線 》
《圖四 圖為USB 3.0纜線 》資料來源:www.ctimes.com.tw

殺手級應用需成為有效驅力

最關鍵的是,USB 3.0的殺手級應用尚未浮出檯面。如果光靠隨身硬碟或是多媒體視訊影像傳輸應用仍過於單薄,並不能收風行草偃之效,讓USB 3.0在消費電子及其他領域發光發熱更是當務之急。例如有廠商已想到藉由不採模擬而是以100%解析USB訊號、結合動態裝置對應更新技術方式輔以API介面,應用在以觸控螢幕切換KVM自動控制的電腦設備,可有效擴大USB 3.0在工業自動控制的應用廣度。


全面解析USB描述語言的DDM技術

均昂實業(JUNE-ON)副總經理周鄭盛表示,一般傳統的KVM切換器傳輸訊號需經過USB 2.0纜線傳輸,訊號必須符合USB 2.0規格介面標準。不過傳輸訊號採取特定的模擬組態程式來溝通,因此KVM切換器裝置只能解析特定仿真模擬的USB傳輸訊號,其中便會產生模擬失真進而無法相容支援的問題。均昂實業所開發的動態裝置對映更新技術(Dynamic Device Mapping;DDM),不再以特定模擬訪偵訊號分析為主,而是在合乎USB 2.0介面規格標準的基礎上,100%解析USB 2.0傳輸訊號的描述語言並製作報告,以韌體程式完整地移轉給KVM切換器。KVM切換器便掌握USB 2.0傳輸訊號描述語言的最大公約數,可動態且直接地與各類USB 2.0介面裝置對應。這可有效解決各類USB裝置系統驅動軟體是否與KVM切換器相容性的難題。未來DDM技術也將視市場脈動支援USB 3.0裝置。


《圖五 均昂實業(JUNE-ON)副總經理周鄭盛表示,DDM技術可讓KVM切換器便掌握USB 2.0傳輸訊號描述語言的最大公約數,動態且直接地與各類USB 2.0介面裝置對應。未來DDM技術也將視市場脈動支援USB 3.0裝置。》
《圖五 均昂實業(JUNE-ON)副總經理周鄭盛表示,DDM技術可讓KVM切換器便掌握USB 2.0傳輸訊號描述語言的最大公約數,動態且直接地與各類USB 2.0介面裝置對應。未來DDM技術也將視市場脈動支援USB 3.0裝置。》

USB 3.0串列傳輸測試準備就緒

為因應SuperSpeed USB 3.0產品市場化的步調,量測儀器大廠也相繼推出相容性驗證測試(Compliance Test)解決方案。一般而言,Gigabite級高速串列資料傳輸標準無論是PCI Express 2.0、USB 3.0、Serial Rapid IO、HDMI、DisplayPort還是其他Serial ATA、Serial Attached SCSI(SAS)、光纖通道、InfiniBand、Gigabit Ethernet(GbE)、XAUI等標準,都需要經過示波器的多通道高速串列測試驗證,在測試與驗證階段均需依賴複雜的抖動注入和信號技術。測試工程師都瞭解驗證與特性分析作業不只需要大量頻寬,也需要精密的觸發功能,進一步找出特定的位元組合,並加速除錯和診斷工作效率。目前對於USB 3.0來說,如何確保其實體層設計符合USB規格,是目前USB介面IC測試的重點。


量測儀器大廠Agilent已推出相關SuperSpeed USB 3.0 相容性驗證測試解決方案,其中除了首套USB 3.0信號品質測試夾具外,並包括可測試發送器的示波器、USB 3.0發送器相容性驗證測試應用軟體;量測USB 3.0 SuperSpeed序列通訊連結特性的串列誤碼率(Serial BERT)測試儀,可執行完整的抖動容許度測試;還有用以產生和分析USB 3.0的通道ADS模擬軟體;以及可用在量測及分析USB 3.0的通道的網路分析儀。


Agilent電子量測事業群行銷處市場專案經理潘光平表示,Agilent針對包括USB 3.0、HDMI、PCIe、DisplayPort等Gb等級以上高速串列傳輸量測,採取在單機上將不同的規範寫進不同的測試軟體進行相容性(compliance)測試的方式,這可有效提升測試人員的效率。潘光平認為,USB 3.0首先會在大型儲存裝置和大型影音資料傳輸應用上發展,以電腦周邊應用領域為主。Agilent目前正與台灣創惟科技(GENESYS Logic)以及NEC的控制晶片Demo合作相關測試方案,在纜線部分則與Tyco和Foxcomm密切合作。


量測儀器大廠Tektronix亦與NEC合作SuperSpeed USB標準的開發測試。Tektronix 針對SuperSpeed USB高速串列通訊協定符合性解決方案的測試儀器,包括即時與取樣示波器和邏輯分析儀等等。及時取樣示波器的頻寬是串列訊號時脈速率的5倍。這是對眼狀圖分析極重要的「五次諧波」。任意波形產生器可提供包含應力的複雜波形,模擬傳輸路徑的遞減效果以支援接收器測試。這些硬體工具都搭配抖動與眼狀圖分析工具和進階抖動產生工具軟體應用程式,可提供驗證及偵錯設計所需工具。


《圖六 Agilent電子量測事業群行銷處市場專案經理潘光平表示,USB 3.0最重要的量測技術會用到去嵌入化技術和等化技術,進一步降低RF微波效應,並且藉由數學運算模式將眼圖放大並還原眼圖訊號。》
《圖六 Agilent電子量測事業群行銷處市場專案經理潘光平表示,USB 3.0最重要的量測技術會用到去嵌入化技術和等化技術,進一步降低RF微波效應,並且藉由數學運算模式將眼圖放大並還原眼圖訊號。》

USB 3.0收發器與纜線測試儀器要點

Agilent電子量測事業群行銷處市場專案經理潘光平表示,針對USB 3.0的量測方案可分為發射端、接收端和纜線三大部分。發射端以示波器為主,接收端以誤碼率(BERT)測試儀為核心,纜線部分則以時域反射儀和網路分析儀為主。發射器端量測較為複雜,基本是以眼圖大小作為檢測驗證規範通過與否的依據。


收發器量測去嵌入化及等化技術

潘光平進一步說明指出,USB 3.0最重要的量測技術會用到去嵌入化(de-embedded)技術和等化技術(equalization)。由於USB 3.0傳輸速率可達5Gbps,在發射端Gb級以上高速串列傳輸會出現RF微波效應,也會挑戰訊號的完整性,進而影響量測品質。因此de-embedded技術便是設計消除高速串列傳輸發射器到cable這一段、以及到待測物IC之pin腳端所產生的射頻微波效應,藉此得以進一步檢測真正的訊號效應。此外,當接收端和發射端之間的距離拉長時,發射端所產生的眼圖效應會隨之縮小衰減。因此在接收端便需要等化技術,藉由數學運算模式將眼圖放大並還原;或者在發射端加入pre-emphasis功能,加重訊號的振幅大小來還原眼圖訊號。


纜線測試需注意串音干擾

潘光平並指出,在纜線測試部分,需要注意的在於串音干擾(Cross Talk)、插入損耗以及特性阻抗三大要點。由於USB 3.0相容USB 2.0的方式是將纜線並列,並列傳輸的線路間容易產生串音干擾,此亦無法避免,因此在這裡的量測重點便是驗證串音干擾是否符合USB 3.0限縮規範。至於特性阻抗和插入阻抗則採用時域反射儀和網路分析儀加以量測。潘光平強調,無論是USB 2.0的半雙工還是USB 3.0的全雙工通訊作業模式,在量測上其所著重之處並非有所不同,儘管USB 3.0的全雙工傳輸方式會因為並行傳輸導致串音干擾較高,但在量測解決方案內容要點上則是一致的。


多元硬體觸發可仔細檢查位元

Tektronix亞太區市場業務經理張天生表示,更快更寬的資訊匯流排與互連功能正被市場高度採用,高效能示波器可擷取高速訊號的頻率諧波,進行準確而穩定一致的量測。不過有些高速串列分析系統僅提供軟體觸發功能,在擷取波形後搜尋感興趣的位元圖樣,若失敗則要再重頭一次擷取另一波形,且無法確證結果。每次擷取的停滯時間,可能會有10億以上的位元未經檢驗通過高速串列匯流排。使用軟體觸發功能花費時間冗長,無法進一步滿足客戶縮短上市時程需求。


《圖七 Tektronix亞太區市場業務經理張天生表示,除了提供軟體觸發功能外,高速串列分析系統必須提升彈性雙元觸發系統功能,硬體串列觸發器使用硬體相位鎖定迴路(PLL),可回復匯流排上的資料,即時監控資料並尋找感興趣的位元序列》
《圖七 Tektronix亞太區市場業務經理張天生表示,除了提供軟體觸發功能外,高速串列分析系統必須提升彈性雙元觸發系統功能,硬體串列觸發器使用硬體相位鎖定迴路(PLL),可回復匯流排上的資料,即時監控資料並尋找感興趣的位元序列》

張天生進一步表示,新型數位螢光示波器(DPO)和數位串列分析儀(DSA)所新增的Pinpoint彈性雙元觸發系統,配備5Gbps串列訊號觸發器與串列通訊協定解碼應用程式,可接受從脈衝寬度到兩個全功能觸發電路上個別設定/保持時間的條件,這些觸發條件約有1400種以上。此外其硬體串列觸發器使用硬體相位鎖定迴路(PLL),可回復匯流排上的資料,即時監控資料並尋找感興趣的位元序列。觸發器會藉由系統觸發擷取的第一個位元序列檢查每個位元,期間沒有停滯時間,因此不會錯過檢驗每個位元。觸發系統亦可偵測指定條件,並擷取條件前、後和前後的大量資料。工程師可藉由深度波形記憶體檢視瞭解記憶體中所有類似的觸發事件,進一步重新評估擷取資料,獲得最低的基準雜訊、最平坦的頻率響應、最低的基準抖動量測以及最低的觸發抖動,更清晰掌握訊號傳真性。


FireWire仍有一片天

看起來USB3.0的發展似乎比競爭對手FireWire來得快,不過FireWire陣營也並未就此俯首稱臣。


去年7月底IEEE組織正式認可通過以IEEE 1394b(FireWire 800)標準為基礎的新版IEEE1394-2008 FireWire規範S1600與S3200,兩者的傳輸速率可分別達到1.6與3.2 Gbps,可分別向下相容目前最常見之IEEE S400與S800的數據線纜。IEEE1394-2008 S1600與S3200規範亦具備Gb高速傳輸效能、移動硬碟無需外接電源的供電能力。S3200規格亦可透過同軸電纜連結,不會對有線電視節目訊號造成干擾。


《圖八 FireWire商標識別圖 》
《圖八 FireWire商標識別圖 》資料來源:IEEE 1394 Trade Association

FireWire可作為纜線標準應用於電腦主機板,也可作為攝錄影機、數位相機、數位音訊視訊設備之間連接埠標準連接應用。因此雖然IEEE1394-2008 S1600與S3200介面技術依舊尚未與其他介面技術相容,例如USB、以及HDMI等,不過FireWire規範還是在以Apple iMac電腦和SONY數位相機iLink為主流的多媒體影像傳輸應用中,獲得許多視訊玩家的支持。根據IEEE 1394貿易協會(IEEE 1394 Trade Association)統計,目前已有超過100萬個FireWire連接埠,被應用在數位電視、機上盒、電腦、數位相機、藍光錄影機硬碟和音樂設備中,例如HP 75%的筆記型電腦配置IEEE 1394介面,在桌上型電腦中的普及率將近50%。


FireWire高速傳輸標準特性

目前IEEE 1394b支援800、1600、3200 Mbps三種速率,IEEE 1394b支援5類網線和光纖,連線採用4條訊號線與2條電源線構成的細纜,亦可利用同步傳輸保證即時性傳輸,每個1394設備都有輸入端和輸出端。IEEE 1394b目前通常的物理流LSI速度通常是200Mbps,大部分實際傳輸資料經過壓縮處理、而非直接傳輸原始視訊數據。


若以500GB資料傳輸測試為例,若透過USB 2.0介面,需要耗費超過25小時完成,利用IEEE 1394b S800介面,僅需6.7小時。若利用IEEE 1394b S1600技術,只要3.3小時就可完成。


《圖九 支援IEEE 1394-2008 S1600和S3200規格的傳輸纜線示意圖 》
《圖九 支援IEEE 1394-2008 S1600和S3200規格的傳輸纜線示意圖 》資料來源:www.crunchgear.com

值得注意的是,IEEE 1394是一個點對點(peer-to-peer)架構的傳輸匯流排,這表示IEEE 1394規格的任何一個裝置,都可以主動發出請求,而USB裝置則是等待主機發送指令,然後才能做相應的動作。此特性讓IEEE 1394可脫離以主機為中心的應用侷限,因而IEEE 1394裝置應用較為彈性,不過相對地也較為複雜,成本也較高。


包括芯微科技(Symwave)、TI、LSI以及Oxford Semiconductor等都參與制訂S3200規格;去年10月Symwave已經公布IEEE 1394b S1600實體層元件FirePHY-1600。至於Symwave的FirePHY-800 1394b S800實體層已開始出貨給台灣奇磊(SSI Computer)所生產的外接式硬碟。


IEEE 1394發展方向

IEEE 1394貿易協會希望新版IEEE1394-2008 FireWire規範S1600與S3200可成為用以傳輸未壓縮視訊檔案、可替代HDMI的低成本解決方案。且根據IEEE 1394的發展計畫,目前比USB 3.0更快的6.4Gbps高速規格正在審議當中,甚至要推出以一般網路線(CAT5/CAT6)作為媒介的規格,研究開發傳輸距離可達100公尺的光纖1394計畫。像是IEEE 1394已經公布FireWire S800T(IEEE 1394c)標準,使用與Gigabit Ethernet相同的RJ45介面與Cat 5纜線的傳輸設計,降低鋪設數位家庭網路的複雜度。從這裡可以看出,FireWire規格應用不以既有裝置之間的高速傳輸市場而自滿 ,未來將朝向發展數位家庭光纖網路以及車用多媒體網路的規格目標邁進。


不過IEEE 1394結構也較為複雜,專利費也高,USB 3.0還有Intel的強力支持推動,Apple新款的MacBook則不再採用FireWire,這些都是影響新一代FireWire高速傳輸標準影響力的負面因素,如何降低進一步排除攸關其未來發展前景。



《圖十 微軟的Windows作業系統也將近一步支援IEEE 1394b規格 》
《圖十 微軟的Windows作業系統也將近一步支援IEEE 1394b規格 》資料來源:Microsoft

UWB面臨生死存亡關鍵

相較於USB 3.0和IEEE 1394b S1600/3200,UWB的發展命運就讓人不勝欷噓了。UWB規格標準和技術較早成熟,相關廠商也早就推出各類晶片解決方案,無奈UWB應用定位未受市場青睞,此際又受到全球金融風暴重創,目前UWB晶片供應商TZero已經結束營運;包括WiQuest與Focus Enhancments也已經關門打烊;Artimi則是被Staccato併購。TI也退出UWB晶片開發行列,Intel也從UWB領域抽腿,不再資助Staccato。


目前經過WiMedia認證通過的產品廠商包括Alereon、Realtek、Staccato、LucidPORT、NEC、Wisair、CSR等,這些廠商目前亦持續耕耘UWB領域,。Wisair、Realtek、Alereon繼續推出以Wireless USB為主的晶片產品,目前已有Dongle、Hub等產品出現在市場。


《圖十一 Wisair 所推出的Wireless USB Hub產品示意圖 》
《圖十一 Wisair 所推出的Wireless USB Hub產品示意圖 》資料來源:Wisair

集中擴展WUSB應用才是明確方向

以往UWB廠商希望將UWB應用定位成可取代HDMI、或稱為無線HDMI解決方案(Wireless for HDMI)的替代品。儘管UWB作為傳輸底層的技術,透過協定調適層(Protocol Adaptation Layer;PAL),可以用在不同的短距離連結方案上,包括USB、WiNET(UPnP/IP)、1394、HDMI,甚至是同為短距離無線技術的Bluetooth。但從UWB廠商在市場生存的趨勢來看,WUSB應是UWB最重要且可能是唯一能夠商品化的應用。由於USB應用相當普遍,裝置之間逐漸採用WUSB互連,不僅是只針對host端的模式,也可以OTG(On-the Go)的模式連結所有內嵌WUSB的產品,其方便親近性不言而喻,因此UWB技術在WUSB的應用相當被看好。


RF效能攸關WUSB品質

Wireless USB以嵌入式方式內裝於筆記型電腦、數位相機、手機、媒體播放器或是其他數位家庭娛樂行動裝置內,UWB屬於10公尺範圍內的高速傳輸標準,與WLAN/802.11n早已確認能夠相互共存相容,而未來藍牙3.0也將採取UWB技術,因此不會有需要測試相容性與否的問題。


晶片微型尺寸以及認證互通性,並不是UWB技術能否在市場發展的最重要考量,認證符合UWB規範、具備RF高效能設計技術,其中掌握RF收發器EVM以及提高敏感度,才是UWB能否開枝散葉的關鍵。這要能在低耗電的條件下支援高頻寬、並且能夠涵蓋3.1GHz到10.6GHz的14個頻組帶,接收器應該要能靈敏地接收-41dBm的無線波。簡言之一個能夠在全球各地運行且又能符合當地UWB規範的晶片組設計,才能滿足系統OEM廠商的應用需求。


WUSB通用參考設計要點

UWB晶片設計廠商Alereon本身便具有RF CMOS設計RF收發器EVM以及提高敏感度的技術,設想到用於6.3GHz以上、第7至14高頻帶的新一代發展策略趨勢,能夠滿足OEM系統廠商因應全球各地不同的UWB規範,目前已發表可應用於包括無線底座和繪圖卡轉接器的WUSB通用參考設計。主控端筆記型電腦使用的全球通用PCIe Half-Mini Card與全球通用PCIe ExpressCard/34參考設計,採用Alereon MAC整合基頻且具Windows Host控制器PCIe介面(WHCI)功能要求的無線USB晶片組。


無線USB晶片組具備高傳輸等時支援(isochronous support)功能,不僅使用WHCI介面,也符合Windows Premium Logo Program要求,因此PCIe ExpressCard/34參考設計實際傳輸率超過200Mbps,可以讓不同種類的NB主端,在10公尺之內藉由UWB無線基座相互連結傳輸,而無須再等待準備斷線訊息;NB內建PCIe Half-Mini Card並支援整合型系統的應用,技術完全自立開發,在實體連結上也已經完備。至於嵌入式模組則可應用在MP3、智慧型手機或數位相機等產品。


《圖十二 Alereon所推出可應用於包括無線底座和繪圖卡轉接器的WUSB通用參考設計產品》
《圖十二 Alereon所推出可應用於包括無線底座和繪圖卡轉接器的WUSB通用參考設計產品》

WiMedia聯盟UWB頻譜規範大要

在射頻實體層規範採用MB-OFDM技術的WiMedia聯盟已取得主導地位,USB-IF和藍牙3.0都已決定採用WiMedia的UWB做為自身實體層技術,IEEE1394無線版本以及日本TELEC規格也將採用UWB。


WiMedia所提出的UWB,MAC層以802.15.3為核心,使用3.1~10.6 GHz頻段,採用多頻帶方式,將既有頻譜分成14個528MHz頻帶。目前WiMedia聯盟的UWB規格,能支援廣泛的數據傳輸速率,可於3公尺範圍內以480Mbps速率傳輸,10公尺內以110 Mbps速率傳輸。透過技術提升,UWB-Turbo甚可支援960Mbps以上的傳輸速率。此外UWB功耗上僅為802.11g的1/10,亦可支援QoS技術,在同步(Isochronous)和非同步(Asynchronous)資料具有不同的優先傳送等級。


在設計上,UWB晶片組必須支援WiMedia聯盟所規定全部14個頻段的6個頻組,可靈活運用,來因應歐盟、日本、南韓以及藍牙3.0在低頻段頻組帶行動規範受限應用的難題,避開干擾較大的頻段,藉此滿足不同國家頻譜運用的不同要求。例如日本是以3.4GHz~4.8GHz的低頻段及7.25GHz~10.25GHz的高頻段提供UWB使用,但是歐盟則是提供3.2GHz~4.8GHz、6.3~9.6 GHz供UWB運用,藍牙3.0的頻段則是集中支援6.3GHz以上的高頻帶。



《圖十三 WiMedia 驗證測試UWB產品流程示意圖 》
《圖十三 WiMedia 驗證測試UWB產品流程示意圖 》資料來源:WiMedia

設計橫跨頻譜UWB晶片組挑戰十足

再者,各國為了避免UWB干擾到其他付費頻譜的無線技術,要求UWB晶片廠商須具備偵測與迴避(Detection and Avoidance;DAA)功能,特別是在3.1GHz~6.3GHz範圍內,UWB會對頻帶造成干擾,DAA偵測迴避不可避免,例如日本在3.4GHz~4.8GHz,歐盟在3.2GHz~4.8GHz都將作為DAA頻段使用。同時UWB所使用的頻寬,在世界各國規定不盡相同,加上UWB在低耗電下支援高頻寬傳輸,並非易事,這些都添增UWB技術研發的難度。未來UWB的設計趨勢,必須滿足全球各國在6.3GHz以上完整高頻帶、第7至14高頻帶新一代近距無線傳輸的發展需求,進而滿足OEM系統廠商因應全球各地不同的UWB規範,協助UWB技術或是WUSB產品的普及化。因此對於RF ASIC設計人員來說,要設計出能橫跨3.1~10.6GHz的超寬頻晶片組,算是挑戰十足。


UWB應用限制有待突破

一對UWB發射器和接收器價格仍過高,相對應用市場被限制於高階家用領域。這是由於UWB晶片發射端需要將無壓縮的HDMI訊號進行編碼和調變,而接收機需要解調、解碼的緣故,因此設計上較為複雜。其實整個視訊傳輸路徑可採用全壓縮方式消除傳輸品質的問題,壓縮後較低的傳輸率可讓訊息通道設計更為簡單。因此採用壓縮視訊傳輸方式的UWB晶片設計,可進一步降低成本價格,這或許會是市場能否接受採用UWB晶片的重要關鍵。


結語

今年度USB 3.0可望按部就班進入市場應用階段,商業化發展前景可期,相關驗證測試方案也已經準備就緒,不過整合設計能否突破、各方支援是否到位,將深刻影響USB 3.0的市場應用廣度。IEEE1394-2008則只能緊守固有領域,相容性問題與價格過高是其致命傷。UWB則可能面臨重要抉擇關鍵,除非相關廠商能掌握Wireless USB的市場應用定位,與USB 3.0陣營密切合作,否則將大勢已去。


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