傳輸速率/充電功率/相容性優勢突顯
USB 3.0力爭行動裝置介面主流

USB 3.0高速傳輸搶進行動裝置  

日前英特爾已免費公開xHCI的相關資訊，利於業者投入推動USB 3.0的發展，包括超微(AMD)、戴爾(Dell)、微軟和恩益禧等多家公司，都已表示將支援此規格。USB 3.0傳輸介面分成主機(Host)端與裝置(Device)端，必須先有主機端的支援，周邊的裝置端才能搭配。在主機端部分，2009年5月USB-IF論壇上，恩益禧與睿思(Fresco Logic)便相繼發表了支援USB 3.0的控制晶片；大廠英特爾與超微將自2010年起把USB 3.0列為南橋晶片規格。而微軟Windows 7也計畫透過Windows Update將USB 3.0列為標準驅動程式。  

數位相機、可攜式多媒體播放器與手機等行動裝置，在近年漸成為生活必備之物，其容量也隨著技術的進步不斷向上攀升，傳輸速率也有越來越高的需求。過去，USB 2.0靠著電源供應功能，成功的打入行動市場，而現在USB要能繼續在行動裝置占有重要角色，接下來的發展勢必要有其過人之處。  

行動裝置首重USB-IF充電新規範  

USB-IF協會下的電池充電工作小組，歷經多年的討論，推出了V1.1的「電池充電規範」。此規範主要在制定透過USB充電的裝置與提供透過USB充電的設備如系統、充電座間的規範，特別的是把USB標準供電量從500毫安培提升到1.5安培的最大可能，欲統一目前規格混亂的局面，也避免使用者因為透過USB充電而遭遇問題。此外，該電池充電規範還允許個人電腦和集線器提供更高等級的電流，而能夠縮短所連接可攜式設備的充電時間，可允許多種可攜式設備透過USB埠或標準的充電器進行充電，毋須為不同的設備攜帶多個充電器。  

V1.1電池充電規範中定義了一種機制，使可攜式設備能檢測電池是連接到什麼樣的充電設備。若可攜式設備連接到壁式充電器、大電流主機或集線器，則該設備可以即刻汲取大於500毫安培的電流。若可攜式設備連接到一台個人電腦或USB集線器上，則按照USB規格的要求，須要將該設備的電流限制為2.5毫安培、100毫安培或500毫安培。該規範也訂定可攜式設備在哪些情況下可以使用多大的電流等標準，讓系統廠商有規則可循，如可攜式設備可以在符合特定條件下，使用100毫安培的電流進行不限時間的充電動作；依循此一規範，就算是不小心插入一般系統的USB埠，也不會造成損傷。  

對於USB在行動裝置的發展而言，此規範帶來更大優勢，充電機制的完善能保護裝置，並可以充分利用普遍存在各系統與桌上型裝置的USB埠進行最有效率的充電，讓使用者減少充電時間或是攜帶更多電池的麻煩。  

Micro USB將成為手機充電器統一標準  

使用過不同品牌手機的人都有這樣感覺，換手機通常也得換充電器，或是忘了帶充電器時，不同廠牌型號手機的充電器如果可以共用該有多好？目前充電器介面的混亂，不但造成不便，也造成一種垃圾污染；根據環保署的統計，單單台灣1年就製造高達一億三千萬個充電器的垃圾。  

回顧手機充電器統一標準發展，USB不只一次被提出列為標準，中國大陸政府更在2006年底就採用USB介面，制定通用充電器標準，並宣布2007年6月14日之後設計的手機必須採用此標準。2007年9月，開放行動終端平台(Open Mobile Terminal Platform)產業論壇，宣布其會員決定以Micro USB為通用充電器介面標準。2009年2月18日，全球行動通訊系統協會(GSMA)在巴塞隆納的全球行動通訊大會(Mobile World Congress)率領十七家行動運營商和製造商，包含諾基亞(Nokia)、三星(Samsung)、樂金(LG)、索尼愛立信(Sony Ericsson)、摩托羅拉(Motorola)、3 Group、KTF、高通(Qualcomm)、AT&T、T-Mobile、Vodafone、Orange、Telecom Italia、Telenor、Telefonica 、Telstra和Mobilkom Austria等共同宣布，將針對新手機實施跨產業的通用充電器標準：通用充電解決方案(UCS)，並將之推廣到全球市場，其目標是確保行動產業能採用一種普通的手機充電器連接介面，減少約50%待機電耗的高效節能充電器，而這個介面將採用Micro USB作為其通用充電的介面。GSMA並估計到2012年時，絕大多數的新手機都將支援這種通用的充電連接器介面。  

USB 3.0連接器向下相容性/耐用性不可忽視  

當初USB能夠在傳輸介面上攻城掠地，最重要的因素就是向下相容性，USB 3.0也承襲了這項優點，3.0連接器可以相容於舊式2.0與1.1裝置，使用者可以將既有的裝置插在USB 3.0上，如此可以大幅提升其普及性。此外，3.0傳輸線增加一組差分訊號線，並由原先的四根腳位增加為九根，電源輸出也從5伏特/500毫安培增加到5伏特/900毫安培，讓現行90%以上的USB設備不用再接額外的電源就能順利使用。  

由於USB 3.0在實體層部分作出不少變動，加上必須維持向下相容性，因此從2007年就被提出來討論的USB 3.0 Standard-A/B與Micro-B連接器，到2008年底已經明朗許多，而Micro-A、Micro-AB連接器也開始出現一些實驗性的產品。

其中，針對手機等行動裝置所設計的Micro-B連接器，為了將高度限制在1.8公分以下，讓2.0與3.0的端子橫排成一直線(圖1)，算是最特殊的設計，目前台、日廠商都已完成此連接器原型製作。對於行動裝置而言，此一相容的設計無論使用任何電腦或具USB埠裝置充電，或是任何一種Micro USB版本的連接器，都能夠單一連接線進行充電與資料傳輸。

資料來源：IDF(2008) 圖1　usb 3.0所使用的Type-A/B與Micro-B連接器

除了攝影機因有直接輸出影像需求，多使用高畫質多媒體介面(HDMI)外，目前各行動裝置真正使用到影像輸出的需求仍小，加上行動裝置硬體限制仍多，如影像解析度受限於硬體及成本考量，多無法支援高畫質。在行動裝置容量大幅提升情形下，USB 3.0大幅改善了傳輸速率達到5Gbit/s亦可不經壓縮編碼而直接應用在傳送1,080p HD視訊串流，因此成為家用視聽設備的傳輸媒介選擇之一。  

充電測試認證流程不容輕忽  

不斷精進的技術標準需要相關的測試規範以確保其品質的穩定，以下便針對USB充電測試規範和USB 3.0說明其測試發展的現況與概念。目前各國大多沒有對USB介面的充電器訂定特別的測試，而為了統一手機等可攜式設備的充電器規格，中國大陸自2007年起，規定所有的可攜式設備須提供透過USB介面充電的功能，並進一步規範USB介面充電器的性能。至於USB-IF則尚未公布正式的測試規範，草擬的相關文件則是USB Charging Port V0.4與ACA V0.63，其測試概要分為參數測試和智慧充電器(Dedicated Charger)判別機制測試。

參數測試規定電壓、電流、電阻、電容和時間，最大充電電流為1.8安培，最大輸出電流為1.5安培(充電器)與0.5安培(系統)，產品標準的最大電流須以輸出電壓為3.6伏特時測量到的電流為準，允許+50%的誤差。智慧充電器判別機制測試規範利用D+和D-訊號線做為判別的依據。針對USB-IF訂定的四種產品項目，除了智慧充電器只須做部分修改就可符合協會的規範外，目前能符合規範的其他類型產品還未上市。而USB-IF所訂定的電池充電規格與中國大陸所制訂的規格最大不同處便在於其所支援的品項(表2)。雖然市面上已經出現部分宣稱符合「電池充電規格」的電源管理晶片，不過目前USB-IF還沒有開始進行認證測試，國內除了少數長期參與電池充電規格訂定的廠商外，許多廠商對於這份規格並不是太熟悉。而針對現有的USB-IF測試規範，國內驗證業者也開發了PDET測試製具，量測包括輸出電壓、過衝電壓、短路恢復時間、相關電組和電容及輸出電流等測試。目前也已經與充電器廠商完成測試，並且正向USB-IF提案相關的測試規範。

訊號處理/一致性測試為USB 3.0設計挑戰

USB 3.0的效能比現有的USB 2.0高出十倍，達到5Gbit/s，因此，如何處理訊號傳輸與保持訊號的完整性，是系統及電路設計人員所要面臨的挑戰。除此之外，USB 3.0的一致性測試也因應速度的大幅提升而設計出不同於2.0的量測方式。

首先要考慮的就是系統主機背板及面板的USB埠線路長度。在USB 2.0(480Mbit/s)的時代，此因素對於量測結果的影響並不大，因此並沒有設計不同的治具量測其訊號品質。但在5Gbit/s的高速傳輸下，這個因素將對量測結果造成很大的影響，因此在測試上會有相對應的測試治具，加入不同的參考測試通道(Reference Test Channel)，以精確模擬背板及面板的USB埠線路，達到實際應用上的訊號量測結果(圖2)。

資料來源：USB-IF 圖2　背板及面板USB Port線路模擬示意圖

除了背板及面板USB埠線路的因素外，外接纜線也是影響訊號傳輸品質的重要因素之一。因此，在一致性測試的環境中也將加入參考纜線(Reference Cable)，以量測實際應用上的訊號品質是否符合規範(圖3)。

資料來源：USB-IF 圖3　發送器訊號品質量測示意圖

另一項與USB 2.0測試的不同在於USB 3.0增加接收器(Receiver)的抖動耐受度(Jitter Tolerance)測試，確保接收器在最嚴苛的訊號源條件下仍能正確的解譯出其所傳輸的資料(圖4)。其測試概念與發送器(Transmitter)一樣，加入參考測試通道及參考纜線，在模擬出最嚴苛的訊息源發送下，觀察其誤碼率(Bit Error Rate)是否符合規範。

資料來源：USB-IF 圖4　接收器抖動耐受度量測示意圖

USB 3.0因其電源供應、可充電、連接器穩定性、向下相容及傳輸速率提升至5Gbit/s等特性，可應付大量傳輸甚至視訊串流，若在速度和視訊傳輸的應用規畫上能更為精進，未來在行動裝置介面大戰中，USB 3.0應會是主要的領先者。

只是USB 3.0的規範推出較晚，致使USB 3.0在行動裝置上的發展，已有許多挑戰者欲分庭抗衡，目前市場所公布的各種主要技術，包含在電視及家用視聽設備上的主要介面--HDMI，其接下來目標市場為行動裝置及汽車；獲得PC業界支持的新視訊介面--DisplayPort；2009年3月發表IEEE 1394最新規範的P1394d及美商晶鐌(Silicon Image)自行研發新介面--MHL(Mobile High-definition Link)，兼具HDMI與USB的功能(表3)。

由各種技術規格內容來看，USB 3.0受到HDMI以及DisplayPort相當大的挑戰，且將可能面臨一些待克服的問題，如纜線布線問題，USB 3.0傳輸線可能較粗又沒彈性，製造商必須重新思考周邊設計；比USB 2.0快十倍的速率，意味著更高的電磁干擾(EMI)干擾因素，必須有新的控制方法；另外，纜線的價格問題也是未來待討論的一個議題。

針對行動設計的新無線技術介面繁多，如藍牙(Bluetooth)3.0+HS、WiGig與TransferJet等，以其個人電腦與視聽設備製造商創新的應用產品來看，無一不是看中行動市場的無限潛力，介面主導之戰，更將隨著各介面技術量產上市後引爆。

可預見的是，在一百八十多個廠商的協力之下，各種USB 3.0的行動應用，將從2010年陸續問世而正式進入行動裝置的新介面戰國時代，USB 3.0在行動市場上的競爭力後勢看漲。  

(本文作者為百佳泰技術部副理)