一種增強型USB 2.0延長(cháng)傳輸方案和應用實(shí)例

0 引言

USB 2.0應用限制主要在于傳輸距離近和抗干擾性差兩方面，業(yè)內對其傳輸能力普遍共識為USB線(xiàn)纜長(cháng)度不超過(guò)5 m；USB 2.0為DC耦合，主從端必須共地，共地則依靠傳輸線(xiàn)纜實(shí)現，所以地上的電壓波動(dòng)會(huì )引起傳輸誤碼，同時(shí)信號線(xiàn)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。

1 技術(shù)原理

增強型USB 2.0接口傳輸性能的方案基于瑞發(fā)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(jìn)行增強，不解析USB協(xié)議，通過(guò)自主知識產(chǎn)權AC耦合技術(shù)和編解碼技術(shù)，提升傳輸可靠性。AC耦合可消除傳輸線(xiàn)纜上的共模干擾電壓，提高可靠性，避免因高壓或地線(xiàn)上浪涌損壞。NS1021在2個(gè)互聯(lián)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(lái)說(shuō)，兼容任何USB 2.0主機、設備及Hub(集線(xiàn)器)，無(wú)需安裝驅動(dòng)。NS1021在PC機與移動(dòng)硬盤(pán)傳輸系統中的應用如圖1所示。

過(guò)對比可知，使用NS1021不影響傳輸速度。

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(jīng)過(guò)長(cháng)距離傳輸，信號質(zhì)量并沒(méi)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(shí)和避免協(xié)議解析造成的兼容性問(wèn)題，且USB協(xié)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(xiàn)傳輸，最大傳輸距離50 m；NS1021E采用2對雙絞線(xiàn)，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(jiǎn)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(pán)鼠標一起部署于用戶(hù)端，從而用戶(hù)端無(wú)需再部署主機，良好的實(shí)時(shí)性，可保證操作遠端主機時(shí)感受不到延遲。

3.2 視頻會(huì )議系統應用

視頻會(huì )議系統涉及多種音視頻流和控制流，而傳輸距離一般超過(guò)5 m，因此傳統應用較多地考慮以太網(wǎng)傳輸，后者涉及復雜的音視頻編解碼和網(wǎng)絡(luò )傳輸業(yè)務(wù)，會(huì )影響時(shí)效性且增加系統開(kāi)發(fā)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(xiàn)纜傳輸數據，如圖4所示為新型視頻會(huì )議系統延長(cháng)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(fǎng)問(wèn)，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(wú)需額外增加協(xié)議解析環(huán)節，而且，USB2.0的帶寬更高，因此本方案比百兆以太網(wǎng)更有優(yōu)勢。

圖3 經(jīng)圖典4 經(jīng)新典型新K型VKMV的M的UUSSBB2 .20與.0視與頻視延頻長(cháng)延器長(cháng)應用器應用

4 新興應用實(shí)例

NS1021系列芯片使USB 2.0抗干擾性顯著(zhù)提高，催生一些原本無(wú)長(cháng)距離傳輸需求新興應用，使得NS1021/NS1021E成為為設備間的互聯(lián)接口的剛需。

4.1 車(chē)載USB應用

USB 2.0在傳輸速率、功耗及通用性上遠超過(guò)100Mbit/s車(chē)載以太網(wǎng)，但業(yè)內一般認為USB難以滿(mǎn)足車(chē)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(chē)載USB概念誕生。由于使用車(chē)載低頻HSD連接器及線(xiàn)纜或車(chē)載USB連接器及線(xiàn)纜，可實(shí)現設備間穩定的數據交互，而支持長(cháng)距離可靠傳輸，車(chē)內布線(xiàn)更靈活。車(chē)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(chē)記錄儀、USB擴展等設備。

4.2 混合有源光纜應用

近年來(lái)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(guò)光纖傳輸，利于延長(cháng)傳輸距離和增強抗干擾性。

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(xié)議中rounder trip delay的限制，使USB 2.0的長(cháng)距離光傳輸難以穩定可靠實(shí)現。

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

制面協(xié)議報文過(guò)濾限制，如LDP協(xié)議標簽過(guò)濾僅允許匯聚層設備某環(huán)回地址生成LDP標簽，所以各城域網(wǎng)在新啟用環(huán)回地址網(wǎng)段和與CR的互聯(lián)地址網(wǎng)段時(shí)需要提前規劃好，避免出現瑣碎地址段以便管理。

4 結語(yǔ)

IP核心網(wǎng)轉發(fā)處理能力強，但控制面和管理面處理能力有限，同時(shí)IP網(wǎng)絡(luò )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(wǎng)絡(luò )，IP網(wǎng)絡(luò )通信節點(diǎn)眾多，通信協(xié)議層出不窮。網(wǎng)絡(luò )的開(kāi)放性和復雜性，對運營(yíng)商的管理和運維提出了更高要求，在進(jìn)行網(wǎng)絡(luò )安全加固的過(guò)程中，應保證設計配置方案最大限度的滿(mǎn)足安全要求，確保安全加固目標服從業(yè)務(wù)目標，提升互聯(lián)網(wǎng)用戶(hù)的感知水平，打造高質(zhì)量的網(wǎng)絡(luò )品牌口碑。

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注：本文來(lái)源于科技期刊《電子產(chǎn)品世界》2020年第10期，歡迎您寫(xiě)論文時(shí)引用，并注明出處。