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            一種增強型USB 2.0延長傳輸方案和應用實例

            作者:牟奎霖,天津瑞發科半導體技術有限公司時間:2020-10-22來源:電子產品世界收藏
            編者按:USB 2.0憑借其傳輸協議標準化、技術成熟且通用和價格低廉,廣泛應用在攝像頭、移動存儲、HID控制等眾多設備。但普通USB傳輸系統存在抗干擾性差和傳輸距離近的問題,限制其應用場合?;贜S1021延長器收發芯片的增強型USB 2.0傳輸解決方案,既有效地解決上述問題,且支持多種通用線材。本文簡述該傳輸方案原理及設計,并通過應用實例對USB 2.0接口使用場景進行延伸說明。


            本文引用地址:http://www.snowlakeshores.com/article/202010/419515.htm

            0 引言

            USB 2.0應用限制主要在于傳輸距離近和性差兩方面,業內對其傳輸能力普遍共識為USB線纜長度不超過5 m;USB 2.0為DC耦合,主從端必須共地,共地則依靠傳輸線纜實現,所以地上的電壓波動會引起傳輸誤碼,同時信號線從芯片管腳引出直接對外,也增加芯片接口保護的復雜度,因此需要有效解決方案。

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            1 技術原理

            增強型USB 2.0接口傳輸性能的方案基于瑞發科公司的NS1021系列芯片,可突破上述限制。該方案從物理層直接對信號本身進行增強,不解析USB協議,通過自主知識產權AC耦合技術和編解碼技術,提升傳輸可靠性。AC耦合可消除傳輸線纜上的共模干擾電壓,提高可靠性,避免因高壓或地線上浪涌損壞。NS1021在2個互聯的USB 2.0設備間提供1條高速透明通道,且對其兩端USB設備來說,兼容任何USB 2.0主機、設備及Hub(集線器),無需安裝驅動。NS1021在PC機與移動硬盤傳輸系統中的應用如圖1所示。

            過對比可知,使用NS1021不影響傳輸速度。

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            圖2 使用NS1021的系統中USB 2.0接口的眼圖

            2 測試效果

            使用NS1021的系統中USB 2.0接口的眼圖如圖2所示,可以看出,經過長距離傳輸,信號質量并沒有受到影響。

            NS1021系列芯片的傳輸機制不僅能夠保證USB 2.0最大480 Mbit/s傳輸速率,還做到傳輸零延時和避免協議解析造成的兼容性問題,且USB協議原有的良好的容錯機制得到保留。其中NS1021采用1對雙絞線傳輸,最大傳輸距離50 m;NS1021E采用2對雙絞線,最大傳輸距離40 m,均可連接hub使用,可以配合hub支持低速/全速/高速三種速度規格,QFN32(5x5)封裝,外圍電路簡單;芯片內置電源模塊,只需5 V供電;各管腳均達到8 kV HBM ESD的性能標準。

            左邊電路可以做成PCI擴展卡置于PC機箱內部,右邊部分可以做成擴展盒,與顯示器和鍵盤鼠標一起部署于用戶端,從而用戶端無需再部署主機,良好的實時性,可保證操作遠端主機時感受不到延遲。

            3.2 視頻會議系統應用

            視頻會議系統涉及多種音視頻流和控制流,而傳輸距離一般超過5 m,因此傳統應用較多地考慮以太網傳輸,后者涉及復雜的音視頻編解碼和網絡傳輸業務,會影響時效性且增加系統開發和維護難度。借助NS1021/1021E信號增強特性,允許使用者在設備端與PC之間使用Cat5線纜傳輸數據,如圖4所示為新型視頻會議系統延長傳輸應用,由于涉及音視頻信號、控制信號傳輸和存儲設備訪問,部分傳輸為雙向,比KVM系統更復雜。該應用直接使用USB接口傳輸,無需額外增加協議解析環節,而且,USB2.0的帶寬更高,因此本方案比百兆以太網更有優勢。

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            圖3 經圖典4 經新典型新K型VKMV的M的UUSSBB2 .20與.0視與頻視延頻長延器長應用器應用

            4 新興應用實例

            NS1021系列芯片使USB 2.0性顯著提高,催生一些原本無長距離傳輸需求新興應用,使得NS1021/NS1021E成為為設備間的互聯接口的剛需。

            4.1 車載USB應用

            USB 2.0在傳輸速率、功耗及通用性上遠超過100Mbit/s車載以太網,但業內一般認為USB難以滿足車載對可靠性的嚴格要求而未能廣泛應用。NS1021/1021E則彌補USB 2.0接口不足,促成車載USB概念誕生。由于使用車載低頻HSD連接器及線纜或車載USB連接器及線纜,可實現設備間穩定的數據交互,而支持長距離可靠傳輸,車內布線更靈活。車載視頻與數據傳輸的典型應用如圖5所示,中控主機連接前/后視攝像頭、激光雷達、DMS、行車記錄儀、USB擴展等設備。

            4.2 混合有源光纜應用

            近年來USB3.1接口已在PC機上普及,提升了其與外部設備間數據交換速度,并且得益于有源光纜(AOC)的應用,將高帶寬的USB 3.1數據流通過光纖傳輸,利于延長傳輸距離和增強性。

            該應用還常需要借助USB 2.0鏈路傳輸控制信號。PC機的原生USB3.1接口雖然提供USB 2.0的通道,但由于USB 2.0協議中rounder trip delay的限制,使USB 2.0的長距離光傳輸難以穩定可靠實現。

            為解決這一問題,可以使用混合有源光纜,即AOC線纜中不僅使用光纖傳輸USB 3.1信號,還使用金屬線纜傳輸USB 2.0信號。如圖6所示,在通用USB 3.1 AOC線纜中增加NS1021用于USB 2.0信號延長,并使用混合線纜作為傳輸介質,可以在PC機通過USB 3.1接口與幾十米之外的設備互聯時,保持對USB 2.0的兼容性。

            制面協議報文過濾限制,如LDP協議標簽過濾僅允許匯聚層設備某環回地址生成LDP標簽,所以各城域網在新啟用環回地址網段和與CR的互聯地址網段時需要提前規劃好,避免出現瑣碎地址段以便管理。

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            4 結語

            IP核心網轉發處理能力強,但控制面和管理面處理能力有限,同時IP網絡對接入終端缺乏認證授權機制,導致任何終端均可隨意接入網絡,IP網絡通信節點眾多,通信協議層出不窮。網絡的開放性和復雜性,對運營商的管理和運維提出了更高要求,在進行網絡安全加固的過程中,應保證設計配置方案最大限度的滿足安全要求,確保安全加固目標服從業務目標,提升互聯網用戶的感知水平,打造高質量的網絡品牌口碑。

            參考文獻:

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            注:本文來源于科技期刊《電子產品世界》2020年第10期,歡迎您寫論文時引用,并注明出處。



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