消費類電子的快速變化特性推動著高速USB的市場需求，例如音樂和圖片文件傳輸。在現有設計中，全速USB用于實現這些文件傳輸以及其它一些功能，如診斷功能、調制解調器連通性以及系統升級。現在，開發可處理用戶文件傳輸的高速 USB 時需要確保消費者體驗不會受到低速數據傳輸的影響。至于其它全速 USB 功能仍不需要更改為高速 USB 功能，這樣一來就帶來了更多的軟件修改風險和超越了目前高速USB所能提供的高速端點數的要求。
本文將描述開發人員如何才能分階段地將高速 USB 功能引入到移動手持終端中。在階段，開發人員需要將用戶數據傳輸移植至高速 USB，同時使所有其它全速 USB 功能保持原狀；而在第二階段，開發人員的初設計就從支持完全集成的高速USB實現開始。在階段中，由于添加了一個高速 USB 接口，因此就創建了 2 個 USB 路徑，這些路徑必須使用信號開關在硬件中進行融合。 USB 開關可導致 USB 信號完整性和兼容性等諸多問題。為了產生清晰的高速眼圖，開發人員必須要對一些設計因素加以考慮。本文將詳細地討論使用 USB 開關進行設計的一些缺陷以及如何有效避免這些缺陷的方法。
USB 成為手持設備的傳輸協議
毫無疑問，蜂窩服務提供商都在千方百計地為他們的用戶提供越來越多的產品特性。在市場達到飽和狀態并且在增加新用戶受到限制的情況下，這些特性將會提高平均用戶收入 (ARPU)。手機 OEM 廠商對此作出積極響應，目前正在添加一些新的特性以支持他們的蜂窩服務提供商客戶。近幾年，我們已經看到手機集成了數碼相機 (DSC) 的功能。這種應用進行的非常成功，今天在您本地的存儲服務中您將發現大多數手機都按照標準配備了攝像頭。這意味著用戶能夠進行拍照并利用此過程中的通話時間與他們的朋友分享圖片，因此這就為蜂窩服務提供商開創了新的收入來源。使手機集成便攜式媒體播放器 (PMP) 功能是近幾年才開始流行的，這一趨勢在未來幾年將一直持續。這將允許蜂窩服務提供商對音樂和視頻內容進行收費，并且由于手機用戶需要利用網絡下載他們喜愛的歌曲，因此也會收取該通話時間的費用。DSC 與 PMP 產品作為獨特的實體已經存在相當長一段時間了，在用戶期望值方面他們與其集成對手有著共同之處——都必須能與用戶計算機交換大量的圖片數據和 MP3 文件，這就與目前他們使用分立器件所能做的沒什么兩樣了。
USB 已成為與計算機 MP3 播放器 (PMP)、數碼相機 (DSC)、閃存盤和硬盤驅動器等進行數據交換的標準方法。這些產品全部都采用 USB 作為的傳輸協議。 由于手機不斷地集成越來越多的特性，例如高分辨率的數碼相機、PMP、PDA 功能等等，因此對用戶來說就需要更為便利的文件傳輸方式來進行手機數據交換。 那么還有什么能比 USB 更為普遍和熟悉的呢？
目前，大多數手機都支持全速 USB (12Mbps)，這對于少量的數據傳輸來說已經足夠了，例如通訊錄聯系人同步功能。但對于其他諸如MP3播放器和高分辨率數碼相機的特性來說，全速USB就顯得有些力不從心。消費者過于偏愛通過高速USB（480Mbps）傳輸享受他們專用的 PMP 和 DSC 產品，然而他們對使用手機全速 USB 連接傳輸 MP3 音頻和圖片至計算機的體驗感到非常失望。
通過比較兩部常用的手持設備（一部支持高速 USB 而另一部支持全速 USB），在從主機傳輸固定大小的數據至每個設備并記錄數據傳輸所花費的時間后，我們發現兩者之間具有很大的差別。高速 USB 設備從主機傳輸105MB的數據至手持設備大約需要 33 秒；而全速 USB 設備執行同樣的數據傳輸則花費了將近13分鐘！基于閃存的手持設備當前可支持高達 8GB 的數據存儲，如此海量的數據通過全速 USB 傳輸需要 17 個小時以上，而使用高速 USB 進行傳輸則只需 44 分鐘就能完成。此外，基于硬盤的手持設備可支持 80GB 的數據存儲，因此通過全速 USB 傳輸時其傳輸時間將提高到 10 倍（170 個小時），而使用高速 USB 傳輸則只需 7.3 個小時（440 分鐘）！顯而易見，用戶或許不想每次都將手持設備連接至計算機上傳或下載如此海量的數據，但是舉這個例子的目的是想讓消費者體驗到使用全速 USB 和高速 USB 時的巨大差距。
全速 USB 和高速 USB的差距
由于各種原因的存在，包括診斷功能、制造業可測性和調制解調器連通性，使全速 USB 得以用于當今的各種手持終端設備之上。前者給手持終端設備 OEM 廠商提供了在生產線上測試手持終端設備的功能以確保產品質量便利的方法，因此這小化或消除了現場失效。全速 USB 的帶寬足以滿足此類任務的需求。而后者則能夠使用戶將他們的電話作為調制解調器連接至膝上型電腦，從而提供了無線 Internet 接入。全速 USB 可提供高達 12 Mbps 的帶寬，這足夠支持現有的 2G 數據標準（至少從理論是說是可以的），例如基于 GSM 的 GPRS 和 EGDE 以及基于 CDMA 的1xEV-DO 和 1xEV-DO Rev. A，甚至還可支持新興的 3G 標準，例如 HSDPA 和 HSUPA。升級這些特性以支持高速 USB 需要放棄已通過現場驗證的軟件，而重新推出全新的軟件套件。此舉將耗費大量的時間和資源，在快速變化的手持終端設備市場中兩者都受到一定限制。因為全速 USB 相對于這些功能而言可提供足夠的帶寬，而且手持終端設備 OEM 廠商更傾向于保持現有的解決方案，所以手持終端設備 OEM 廠商僅僅以高速 USB 控制器或 PHY 的形式來添加高速 USB 支持，進而在設計中添加更高的帶寬通道來滿足海量存儲的需求，從而讓消費者在他們集成的便攜
式媒體播放器和數碼相機方面能獲得更佳的用戶體驗。這允許 OEM 廠商根據需要通過兼顧全速 USB 而增加此項支持，從而將現有平臺僅僅升級至高速 USB，同時也使得他們能夠更快速地將高速 USB 解決方案推向市場，而不必圍繞高速 USB 完全重新設計。
以此方式添加高速 USB 的另一個原因是現有高速 USB 控制器中所提供端點數的限制。在計算機應用中，一般高速 USB 控制器都具有已定義的特定應用，并且只需要少量的端點，對大多數應用來說 4 個或 8 個端點即已足夠。移動手持終端可通過 USB 來提供許多功能并滿足端點不斷動態增加的需求——12 個或 16 個甚至 20 個端點也不足為奇。在這些功能實例中，移動手持終端可支持的每項功能都要求具有單個或多個端點，其中包括海量存儲、媒體傳輸協議 (MTP)、調制解調器 (CDC)、設備管理、對象交換 (OBEX) 和調試/測試。由于這個原因，手持終端設計人員就能同時利用全速和高速 USB 數據路徑有效地支持更多的端點，這比單獨使用高速 USB 數據路徑所能支持的端點要多。
那么手持終端 OEM 廠商該如何將高速 USB 功能添加到現有的支持全速 USB 的設計中呢？顯而易見，不能簡單地將其作為單獨的實體來添加，因為這要求手持終端上具有迷你型或微型 USB 連接器。當然，這樣一來不僅提高了成本，而且更為重要的還會使消費者感到無所適從。這種解決方案的目的是將兩種 USB 數據通道合并到單一的連接器上。圖 1 中舉例說明了 pass 解決方案的組織情況，如下所示：
任何擁有采用高速信號進行設計經歷的設計人員當然都會意識到，當您完全擺脫全速鏈接操作時，由于將全速USB傳輸線用來進行傳輸高速數據信號時，傳輸線會產生類似短柱天線的作用，因此會導致高速鏈接無法工作，而且還會引起信號質量的嚴重下降并形成封閉的眼圖。更不用說一想到這種結構假定全速和高速 USB 輸出都能支持某種三態模式以獲得這種設計的情況，即當全速 USB 工作時高速信號就為三態信號，反之亦然。這就是今天大多數 USB 設備在傳統應用（例如計算機）中不能支持的原因，復式連接器即成為規范并且無需將多重 USB 信號合并到單個連接器之上。
將全速USB升級為高速USB的解決方案
這種解決方案要求全速和高速 USB 信號線跡完全分開。目前，將高速 USB 引入移動手持終端的解決方案是添加高速路徑，并使用信號開關在現有的全速路徑中進行多路復用。 圖 2 詳細說明了該解決方案：
雖然這看起來很簡單，但是當涉及到高速信號完整性時,實際上就會導致一些問題，并且在進行 USB 兼容性測試時也會導致失敗。即使市面上存在的那些開關可能聲稱能夠支持高速 USB 應用，但是它們在某種程度上都會降低眼圖的質量，并且有時還會達到不兼容的地步。選擇開關以及布置主板時需要考慮到一些實際情況，但是首先應考慮到理想的高速USB數據路徑，例如根本沒有開關的路徑。
在考慮高速USB數據路徑時，存在多個主板設計人員需要加以控制的因素，這些因素必須得到化以創建出清晰的眼圖。首先，D+與D-線路的線跡阻抗必須為45Ω。該線跡阻抗與接收設備的D+和D-引腳在輸入時所看到的內部阻抗相匹配，這樣就可形成合適的分壓器以獲得 400mV的兼容高速邏輯HIGH。另外一個因素是 D+和D-線跡的長度補償。假若沒有其它復雜因素，例如 ESD或EMI保護設備，那么就能提供如圖3左上角所示的清晰的眼圖。
現在，當將開關插入數據路徑中時，就會出現信號失真。失真的具體類型與失真程度與開關的自身特征有關。首先我們應注意的是開關的切換速度。該開關必須在傳輸速度為 480 Mbps（相當于 240 MHz）時能夠切換至與高速 USB 兼容。如果不能進行切換，則就可以不予考慮此種開關。有可能的是，如果這種開關聲稱可用于高速 USB 用途，那么這將不成問題。下一個特征或許是重要也是經常容易忽略的，那就是開關的串聯電阻 (Ron)。串聯電阻的阻值越大，眼圖就越容易被壓扁，并且當試圖獲得 USB-IF 認證時這就成為了一個為頭疼的問題。
下面的實例分析了較高的串聯電阻對眼圖有著怎樣的具體影響。 在這里，開關A的典型串聯電阻為5Ω，而開關B的典型串聯電阻為10Ω。在使用開關A的時候，總線跡串聯電阻將為50 Ω，而不是45Ω。當形成單一的分壓器時，這將使邏輯 HIGH 變為379mV，而不是所需的400mV。這種規格可提供 10% 的容差（相對于400mV要求），因此 360mV的邏輯HIGH仍處于規格范圍之內。當將開關B插入數據路徑時會額外增加10Ω的串聯電阻，從而使線跡阻抗的阻值總共為 55Ω。其結果會導致 360mV 的邏輯 HIGH，
而沒有留有任何的誤差幅度。考慮到在端接電阻器以及線跡阻抗中存在額外的誤差，因此期望這種情況具有兼容性是不切實際的。圖 3 左下方的眼圖是在信號路徑中增加了10Ω線跡串聯電阻之后形成的眼圖。由于額外線跡串聯電阻的影響，我們可以看到眼圖的上下邊界已被壓扁。該眼圖留有的誤差幅度非常之小。
即使電壓電平在額外開關電阻的影響下降低至可接受的范圍，并且在考慮各種容差之后，我們發現還存在另一種方式能夠使開關影響到眼圖。這種開關也增加電容至線跡以減緩信號沿變化率（上升沿和下降沿）。此舉可導致眼圖禁止布線區域的角落變短，進而導致眼圖形成失敗。例如，開關 A 有 5pF 的電容而開關 B 有 15pF 的電容。通過開關 B 在開關 A 上增加額外 10pF 的電容，可使眼圖禁止布線區域（誤差幅度）周圍的面積減少達 50% 之多。在寫這篇文章的時候，典型的開關在開啟時其電容介于 6pF~15pF 之間。圖 3 右上角的眼圖詳細說明了通過增加 15pF 電容后發生失真的眼圖。
如果開關僅僅增加串聯電阻或電容，可能還不會導致任何問題。但是，事實情況是開關同時將增加串聯電阻和電容，這兩者的結合就會導致眼圖出現一些實際存在的問題。我們常說理想的開關應具有很低的串聯電阻和電容。低串聯電阻將導致頂層和底層朝著眼睛中心更為靠近的移動，這樣一來誤差幅度就較小。電容將使得轉換減緩，這會切入到眼圖禁止布線區域，從而導致高速 USB 信號完整性測試的失敗。圖 3 右下角的眼圖具體圖解了這種情況。
挑選具有低串聯電阻和電容的開關，并且或許這種開關甚至是兩者正確的混合，如此一來 Ron 和 Con 特性就成為能否獲得成功的基于開關設計的關鍵所在。
進行這樣的設計時，需要考慮的另一個因素是何時在全速和高速 USB 路徑之間切換。目前，這樣的切換主要在軟件中實現，例如用戶必須進入手持終端中的某個菜單然后選擇是否使用海量存儲或調制解調器模式。然后系統處理器（基帶或應用程序）即會啟用正確的信號路徑。默認模式通常是全速 USB 模式，將這種模式作為工廠中用于診斷和制造測試的模式。這是一種很麻煩并且不合適宜的解決方案。隨著時間的推移，手持終端設計人員希望這種解決方案沒有任何用戶干預的約束，這意味著將向全面匯聚的解決方案邁進。
結論
毫無疑問，手機設計人員將進行完全移植以支持單一的 USB 路徑，這將允許全速和高速 USB 共存。對于這種解決方案，設計人員可把時間花費在優化軟件方面，從而創造出更多的優化設計。產品解決方案將會適時出現，并且集成了足夠多的端點數以支持手機應用。到那時，手機設計人員就會愿意支持高速 USB 并快速地推出市場產品以贏得客戶滿意度，這完全取決于本文中所描述的解決方案能否獲得成功。
另外，要使這樣的設計獲得成功，設計人員必須考慮到他們所選擇開關的 Ron 與 Con 參數。開關的 Ron 電阻應介于 4Ω~ 8Ω之間，而 Con 電容則應介于 5pF~10pF 之間。遵循這些準則有助于避免浪費更多時間在調試 USB 連接上，同時也使得移動手持終端設計人員能更迅速地搶占市場。