基于Thunderbolt技術的新一代視頻接口設計方案

隨著當今高清視頻技術的發展和4K超高清標準的即將出臺，視頻制作過程中需要更多的帶寬來傳輸源頭（如相機和存儲器）與匯集處（顯示器和存儲器）之間的視頻數據。輸出這些數據的傳統方法主要借助于數據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接口配置，僅需一個接口就可滿足數據和視頻的傳輸需求。

隨著視頻分辨率從高清到超高清的升級，數據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是視頻接口技術的一個連接選項。然而，當用戶使用硬盤上存儲的視頻進行實時編輯時，USB3.0會導致明顯的遲滯。主要原因在于，雖然擁有5Gbps的數據傳輸率，但USB特有的命令集并非是用來處理實時視頻傳輸的。此外，當多個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數據速率的Thunderbolt接口可使結構設計實現實時視頻后期制作的理想速度、最小時滯和存儲能力。專業工作室和廣播視頻設備可在視頻采集卡、存儲設備、適配器及視頻顯示器中利用這一技術。此外，與其它串聯協議相比，Thunderbolt接口可通過配套電纜以菊花鏈方式最多外連6個設備，同時還不會大幅降低數據開銷。

Thunderbolt簡介

ThunderboltI/O技術由Intel公司開發，每個接口配備兩個10Gbps全雙工數據路徑鏈路，要比Firewire800接口快達12倍。Thunderbolt采用64b/66b數據編碼格式，而Intel開發的接口控制器可將PCI–Express和DisplayPort復用成為一個單數據流。Intel公司開發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。

在主機設備中，控制器從I/O控制器集線器中獲取PCI–Express數據，從I/O控制器中的負信號或如圖1所示的外部圖形控制器中獲取DisplayPort數據。接下來，該組合信號通過全雙工差分信號發出。一般情況下，每個控制器配備兩個端口，可進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行了重新設計。Thunderbolt還可兼容標準DisplayPort連接。

表1中對比了映射到迷你DisplayPort連接器上的Thunderbolt信號和標準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以確保接收端信號的完整性。對于處于活動狀態的銅纜，最大長度約為3m，而光纜的長度可擴展至數十米。外圍系統會接收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。如圖2所示，控制器外部會設一個MUX集成電路（IC），用來控制Thunderbolt模式信號或DisplayPort模式信號的切換。

高速信號設計的挑戰

對設計工程師來說，信號完整性是10Gbps以上數據速率傳輸所面臨的一大挑戰。這一問題一般是由信號本身的電磁特性引起的，會導致EMI/EMC信號衰減，進而縮短接收或終端側的時間窗口并導致信號質量惡化。在設計過程中，工程師必須特別注意反射噪聲、電源噪聲和串擾噪聲的影響。通過電路板中殘段（stub）產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。因此，應避免在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。在高頻率信號設計中應設置至少4個PCB層：10Gbps信號層、數字邏輯控制信號層、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?？墒褂镁o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。

高速接口設備周邊的供電設計也是一個重要的考量因素。良好的供電設計是在電源和接地層中使用薄膜電介質（2mil~4mil，1mil=0.0254mm），從而為PCB電源電路創造一個平面電容，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，因為這有可能會導致旁路功能失效。

另外一個需要密切留意的參數就是抖動。這種信號失真形式會沿著數據路徑累積，分隨機性抖動（Rj）和定量性抖動（Dj）兩種。所有的導電材料都會出現一定程度的信號衰減，因而會抑制抖動并縮小數據路徑接收端的眼圖開口度。使用再驅動器/中繼器等信號完整性產品可恢復眼圖質量并減小比特誤碼率（BER）。

由于時間窗口較小，10Gbps數據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據都會復用和路由至迷你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，可根據插入設備類型告知處理器切換到相應信號（如表2所示）。

針對Thunderbolt控制器與連接器之間的MUXIC，可從

下載實際設計電路圖，供您做進一步參考。MUXIC中包含2個MUX。3:1MUX可在顯示數據通道（DDC）、DisplayPortAUX數據與10GbpsThunderbolt接口接收數據之間切換。2:1MUX可在DisplayPort主鏈路1（ML1）與Thunderbolt低速控制器數據之間切換。

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

接口中有多個10Gbps差分信號對。使用微帶線時，為了實現最佳的信號完整性，應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擾。當差分信號對離開MUXIC或控制器IC時，將差分線路（S）的長度設為3H，具體細節參考圖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Thunderbolt互聯規范，10Gbps接收路徑的AC耦合電容器值應介于0.34μF和0.6μF之間，發送路徑的值應介于0.17μF~0.3μF之間。在該示例設計中，發送路徑上使用的是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量。這樣一來，只要滿足了所有高速電路板設計指南的要求，這一架構方案就可使速率高于10Gbps的信號以一種直接、可靠的方式進行路由。