一種增強型USB 2.0延長傳輸方案和應用實例

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(nèi)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(xiàn)，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。

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行增強，不解析USB協(xié)議，通過自主知識產(chǎn)權(quán)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(lián)的USB 2.0設備間提供1條高速透明通道，且對其兩端USB設備來說，兼容任何USB 2.0主機、設備及Hub(集線器)，無需安裝驅(qū)動。NS1021在PC機與移動硬盤傳輸系統(tǒng)中的應用如圖1所示。

過對比可知，使用NS1021不影響傳輸速度。

圖2 使用NS1021的系統(tǒng)中USB 2.0接口的眼圖

2 測試效果

使用NS1021的系統(tǒng)中USB 2.0接口的眼圖如圖2所示，可以看出，經(jīng)過長距離傳輸，信號質(zhì)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(xié)議解析造成的兼容性問題，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(guī)格，QFN32（5x5）封裝，外圍電路簡單；芯片內(nèi)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(nèi)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(tǒng)應用

視頻會議系統(tǒng)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(tǒng)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)絡傳輸業(yè)務，會影響時效性且增加系統(tǒng)開發(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線纜傳輸數(shù)據(jù)，如圖4所示為新型視頻會議系統(tǒng)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(tǒng)更復雜。該應用直接使用USB接口傳輸，無需額外增加協(xié)議解析環(huán)節(jié)，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視與頻視延頻長延器長應用器應用

4 新興應用實例

NS1021系列芯片使USB 2.0抗干擾性顯著提高，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(lián)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(wǎng)，但業(yè)內(nèi)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(xiàn)設備間穩(wěn)定的數(shù)據(jù)交互，而支持長距離可靠傳輸，車內(nèi)布線更靈活。車載視頻與數(shù)據(jù)傳輸?shù)牡湫蛻萌鐖D5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(shù)據(jù)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(shù)據(jù)流通過光纖傳輸，利于延長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的長距離光傳輸難以穩(wěn)定可靠實現(xiàn)。

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(zhì)，可以在PC機通過USB 3.1接口與幾十米之外的設備互聯(lián)時，保持對USB 2.0的兼容性。

制面協(xié)議報文過濾限制，如LDP協(xié)議標簽過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)段時需要提前規(guī)劃好，避免出現(xiàn)瑣碎地址段以便管理。

4 結(jié)語

IP核心網(wǎng)轉(zhuǎn)發(fā)處理能力強，但控制面和管理面處理能力有限，同時IP網(wǎng)絡對接入終端缺乏認證授權(quán)機制，導致任何終端均可隨意接入網(wǎng)絡，IP網(wǎng)絡通信節(jié)點眾多，通信協(xié)議層出不窮。網(wǎng)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(wǎng)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(yè)務目標，提升互聯(lián)網(wǎng)用戶的感知水平，打造高質(zhì)量的網(wǎng)絡品牌口碑。

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