基于Thunderbolt技术的新一代视频接口设计方案

基于Thunderbolt技术的新一代视频接口设计方案

随着视频分辨率从高清到超高清的升级，数据的传输量和速率也在不断提升。例如，一个像素分辨率为4096×2160、色彩模式为RGB444、色彩精度为12比特的4K视频的原始未压缩比特率为19.11Gbps或2.39Gbps，而这仅仅是一帧视频的大小，如果存储时长为30s的该视频，需要71.66GB的磁盘空间。

Thunderbolt简介

高速信号设计的挑战

另外一个需要密切留意的参数就是抖动。这种信号失真形式会沿着数据路径累积，分随机性抖动（Rj）和定量性抖动（Dj）两种。所有的导电材料都会出现一定程度的信号衰减，因而会抑制抖动并缩小数据路径接收端的眼图开口度。使用再驱动器/中继器等信号完整性产品可恢复眼图质量并减小比特误码率（BER）。

由于时间窗口较小，10Gbps数据传输速率更易受抖动的影响。阻抗失配可以减少时间抖动容许量。配有适当滤波和旁路功能的清洁电源对于减少抖动来说也是非常必要的。为此，应在有源IC的各个VCC引脚旁安装一个低ESR的0.1μF去耦电容器。

控制器与迷你DP连接器之间视频与非视频数据都会复用和路由至迷你DP连接器上，这是通向外部空间的一个主要Thunderbolt接口。Thunderbolt控制器配有一个内部处理器，可控制外部MUXIC的切换。连接器配有一个热插拔检测（HDP）引脚，可根据插入设备类型告知处理器切换到相应信号（如表2所示）。

针对Thunderbolt控制器与连接器之间的MUXIC，可从

p位于Thunderbolt控制器、MUXIC与连接器之间的10Gbps差分对是十分关键的信号路径。一般会有两个10Gbps发送信号对（HS0TX与HX1TX）和两个10Gbps接收对（HS0RX与HS1RX）。HS1RX差分信号对通过3:1MUX进行切换，因此要确保MUX的动态特性参数（如差分插损、差分回损、串扰、隔离性及倾斜度）不会导致10Gbps信号恶化。所有的10Gbps信号必须位于同一PCB层上，不应穿过其它任何一层。这些信号应呈条状线或微带线分布，且应完美契合，以避免出现倾斜。

接口中有多个10Gbps差分信号对。使用微带线时，为了实现最佳的信号完整性，应确保两个差分信号对之间的距离（D）为差分信号间缺口距离的两倍以上，这样就可以最大限度地减少两个差分信号对之间的串扰。当差分信号对离开MUXIC或控制器IC时，将差分线路（S）的长度设为3H，具体细节参考图5。

所有的高速及低速差分对都会AC耦合到Thunderbolt控制器中。根据Thunderbolt互联规范，10Gbps接收路径的AC耦合电容器值应介于0.34μF和0.6μF之间，发送路径的值应介于0.17μF~0.3μF之间。在该示例设计中，发送路径上使用的是0.22μF的电容器，而接收路径上使用的是0.47μF的电容器。此外，AC耦合电容器的大小应与微带线PCB线路的宽度相匹配，以减少信号丢失或阻抗失配。如图6所示，电容器应并行放置，且彼此之间不得相互抵消。更可取的做法是将电容器置于传输线对的终端。

在整体设计过程中，在控制器与连接器之间使用低成本ThunderboltMUX可最大限度地减少外部组件的数量。这样一来，只要满足了所有高速电路板设计指南的要求，这一架构方案就可使速率高于10Gbps的信号以一种直接、可靠的方式进行路由。

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