基于Thunderbolt技術(shù)的新一代視頻接口設(shè)計方案

隨著當(dāng)今高清視頻技術(shù)的發(fā)展和4K超高清標(biāo)準(zhǔn)的即將出臺，視頻制作過程中需要更多的帶寬來傳輸源頭（如相機(jī)和存儲器）與匯集處（顯示器和存儲器）之間的視頻數(shù)據(jù)。輸出這些數(shù)據(jù)的傳統(tǒng)方法主要借助于數(shù)據(jù)USB接口或視頻輸出DisplayPort或高清晰度多媒體接口（HDMI）。而Thunderbolt接口的引入簡化了系統(tǒng)接口配置，僅需一個接口就可滿足數(shù)據(jù)和視頻的傳輸需求。

隨著視頻分辨率從高清到超高清的升級，數(shù)據(jù)的傳輸量和速率也在不斷提升。例如，一個像素分辨率為4096×2160、色彩模式為RGB444、色彩精度為12比特的4K視頻的原始未壓縮比特率為19.11Gbps或2.39Gbps，而這僅僅是一幀視頻的大小，如果存儲時長為30s的該視頻，需要71.66GB的磁盤空間。

USB3.0是視頻接口技術(shù)的一個連接選項。然而，當(dāng)用戶使用硬盤上存儲的視頻進(jìn)行實時編輯時，USB3.0會導(dǎo)致明顯的遲滯。主要原因在于，雖然擁有5Gbps的數(shù)據(jù)傳輸率，但USB特有的命令集并非是用來處理實時視頻傳輸?shù)?。此外，?dāng)多個USB裝置以菊花鏈方式連接在一起時，遲滯時間會更長。

具有10Gbps數(shù)據(jù)速率的Thunderbolt接口可使結(jié)構(gòu)設(shè)計實現(xiàn)實時視頻后期制作的理想速度、最小時滯和存儲能力。專業(yè)工作室和廣播視頻設(shè)備可在視頻采集卡、存儲設(shè)備、適配器及視頻顯示器中利用這一技術(shù)。此外，與其它串聯(lián)協(xié)議相比，Thunderbolt接口可通過配套電纜以菊花鏈方式最多外連6個設(shè)備，同時還不會大幅降低數(shù)據(jù)開銷。

Thunderbolt簡介

ThunderboltI/O技術(shù)由Intel公司開發(fā)，每個接口配備兩個10Gbps全雙工數(shù)據(jù)路徑鏈路，要比Firewire800接口快達(dá)12倍。Thunderbolt采用64b/66b數(shù)據(jù)編碼格式，而Intel開發(fā)的接口控制器可將PCI–Express和DisplayPort復(fù)用成為一個單數(shù)據(jù)流。Intel公司開發(fā)的第一代控制器代號為Light Ridge，隨后的第二代、第三代控制器代號分別是Cactus Ridge和Redwood Ridge，而新一代（第四代）控制器的代號是Falcon Ridge。

在主機(jī)設(shè)備中，控制器從I/O控制器集線器中獲取PCI–Express數(shù)據(jù)，從I/O控制器中的負(fù)信號或如圖1所示的外部圖形控制器中獲取DisplayPort數(shù)據(jù)。接下來，該組合信號通過全雙工差分信號發(fā)出。一般情況下，每個控制器配備兩個端口，可進(jìn)行菊花鏈方式的連接。

Thunderbolt采用的是已有的迷你DisplayPort連接器，并已針對Thunderbolt信號的特點對該插槽進(jìn)行了重新設(shè)計。Thunderbolt還可兼容標(biāo)準(zhǔn)DisplayPort連接。

表1中對比了映射到迷你DisplayPort連接器上的Thunderbolt信號和標(biāo)準(zhǔn)DisplayPort信號。線纜可以是電纜或光纜，但無論哪一種線纜都必須要保持活動狀態(tài)以確保接收端信號的完整性。對于處于活動狀態(tài)的銅纜，最大長度約為3m，而光纜的長度可擴(kuò)展至數(shù)十米。外圍系統(tǒng)會接收Thunderbolt信號，并將其送至另一控制器中，使其在終端提取PCIExpress與DisplayPort信號。

迷你DisplayPort連接器可在本地DisplayPort模式或Thunderbolt模式下工作，但由于使用的是同一引腳，這兩種工作模式無法同時實現(xiàn)。如圖2所示，控制器外部會設(shè)一個MUX集成電路（IC），用來控制Thunderbolt模式信號或DisplayPort模式信號的切換。

高速信號設(shè)計的挑戰(zhàn)

對設(shè)計工程師來說，信號完整性是10Gbps以上數(shù)據(jù)速率傳輸所面臨的一大挑戰(zhàn)。這一問題一般是由信號本身的電磁特性引起的，會導(dǎo)致EMI/EMC信號衰減，進(jìn)而縮短接收或終端側(cè)的時間窗口并導(dǎo)致信號質(zhì)量惡化。在設(shè)計過程中，工程師必須特別注意反射噪聲、電源噪聲和串?dāng)_噪聲的影響。通過電路板中殘段（stub）產(chǎn)生的阻抗失配反射可使噪聲隨著不斷增大的頻率/距離而增強(qiáng)。因此，應(yīng)避免在PCB各層之間使用語音干擾分析裝置（VIAS）。

在走線布線期間，應(yīng)使10Gbps信號駐留在PCB的某一層上，而不要穿越其它層。所有線路都應(yīng)避免90°的彎曲，理想狀況是徑向彎曲或大于135°的彎曲，如圖3所示。在高頻率信號設(shè)計中應(yīng)設(shè)置至少4個PCB層：10Gbps信號層、數(shù)字邏輯控制信號層、電源層和接地層。

將終端電阻置于接收端可最大限度地降低生成的殘段長度。在一個普通的電路線路布局中，生成的殘段始于主要的差分信號對到終端連接器，且線路長度應(yīng)為最短。最佳方法就是將Thunderbolt接口芯片置于距離連接器最近的地方。

使用契合阻抗差分線路。可使用緊密耦合的邊緣耦合帶狀線或微帶線，以確保接收器能夠抑制共模噪聲（如圖4所示，s距離被最小化）。將10Gbps差分對視為一個獨特的信號，通過抑制或縮小線路的傾斜度來保持平衡。

高速接口設(shè)備周邊的供電設(shè)計也是一個重要的考量因素。良好的供電設(shè)計是在電源和接地層中使用薄膜電介質(zhì)（2mil~4mil，1mil=0.0254mm），從而為PCB電源電路創(chuàng)造一個平面電容，并將電源層和接地層用作旁路電源。這樣一來就可以很容易地增加額外的外部旁路電容器，同時也可以節(jié)約BOM成本。剩余的外部旁路可使用小型（0603）X7R電容器，然后要密切留意這些電容器的共振頻率，因為這有可能會導(dǎo)致旁路功能失效。

另外一個需要密切留意的參數(shù)就是抖動。這種信號失真形式會沿著數(shù)據(jù)路徑累積，分隨機(jī)性抖動（Rj）和定量性抖動（Dj）兩種。所有的導(dǎo)電材料都會出現(xiàn)一定程度的信號衰減，因而會抑制抖動并縮小數(shù)據(jù)路徑接收端的眼圖開口度。使用再驅(qū)動器/中繼器等信號完整性產(chǎn)品可恢復(fù)眼圖質(zhì)量并減小比特誤碼率（BER）。

由于時間窗口較小，10Gbps數(shù)據(jù)傳輸速率更易受抖動的影響。阻抗失配可以減少時間抖動容許量。配有適當(dāng)濾波和旁路功能的清潔電源對于減少抖動來說也是非常必要的。為此，應(yīng)在有源IC的各個VCC引腳旁安裝一個低ESR的0.1μF去耦電容器。

控制器與迷你DP連接器之間視頻與非視頻數(shù)據(jù)都會復(fù)用和路由至迷你DP連接器上，這是通向外部空間的一個主要Thunderbolt接口。Thunderbolt控制器配有一個內(nèi)部處理器，可控制外部MUXIC的切換。連接器配有一個熱插拔檢測（HDP）引腳，可根據(jù)插入設(shè)備類型告知處理器切換到相應(yīng)信號（如表2所示）。

針對Thunderbolt控制器與連接器之間的MUXIC，可從

下載實際設(shè)計電路圖，供您做進(jìn)一步參考。MUXIC中包含2個MUX。3:1MUX可在顯示數(shù)據(jù)通道（DDC）、DisplayPortAUX數(shù)據(jù)與10GbpsThunderbolt接口接收數(shù)據(jù)之間切換。2:1MUX可在DisplayPort主鏈路1（ML1）與Thunderbolt低速控制器數(shù)據(jù)之間切換。

p位于Thunderbolt控制器、MUXIC與連接器之間的10Gbps差分對是十分關(guān)鍵的信號路徑。一般會有兩個10Gbps發(fā)送信號對（HS0TX與HX1TX）和兩個10Gbps接收對（HS0RX與HS1RX）。HS1RX差分信號對通過3:1MUX進(jìn)行切換，因此要確保MUX的動態(tài)特性參數(shù)（如差分插損、差分回?fù)p、串?dāng)_、隔離性及傾斜度）不會導(dǎo)致10Gbps信號惡化。所有的10Gbps信號必須位于同一PCB層上，不應(yīng)穿過其它任何一層。這些信號應(yīng)呈條狀線或微帶線分布，且應(yīng)完美契合，以避免出現(xiàn)傾斜。

接口中有多個10Gbps差分信號對。使用微帶線時，為了實現(xiàn)最佳的信號完整性，應(yīng)確保兩個差分信號對之間的距離（D）為差分信號間缺口距離的兩倍以上，這樣就可以最大限度地減少兩個差分信號對之間的串?dāng)_。當(dāng)差分信號對離開MUXIC或控制器IC時，將差分線路（S）的長度設(shè)為3H，具體細(xì)節(jié)參考圖5。

所有的高速及低速差分對都會AC耦合到Thunderbolt控制器中。根據(jù)Thunderbolt互聯(lián)規(guī)范，10Gbps接收路徑的AC耦合電容器值應(yīng)介于0.34μF和0.6μF之間，發(fā)送路徑的值應(yīng)介于0.17μF~0.3μF之間。在該示例設(shè)計中，發(fā)送路徑上使用的是0.22μF的電容器，而接收路徑上使用的是0.47μF的電容器。此外，AC耦合電容器的大小應(yīng)與微帶線PCB線路的寬度相匹配，以減少信號丟失或阻抗失配。如圖6所示，電容器應(yīng)并行放置，且彼此之間不得相互抵消。更可取的做法是將電容器置于傳輸線對的終端。

在整體設(shè)計過程中，在控制器與連接器之間使用低成本ThunderboltMUX可最大限度地減少外部組件的數(shù)量。這樣一來，只要滿足了所有高速電路板設(shè)計指南的要求，這一架構(gòu)方案就可使速率高于10Gbps的信號以一種直接、可靠的方式進(jìn)行路由。