一種增強(qiáng)型USB 2.0延長(zhǎng)傳輸方案和應(yīng)用實(shí)例

0 引言

USB 2.0應(yīng)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(duì)其傳輸能力普遍共識(shí)為USB線纜長(zhǎng)度不超過(guò)5 m；USB 2.0為DC耦合，主從端必須共地，共地則依靠傳輸線纜實(shí)現(xiàn)，所以地上的電壓波動(dòng)會(huì)引起傳輸誤碼，同時(shí)信號(hào)線從芯片管腳引出直接對(duì)外，也增加芯片接口保護(hù)的復(fù)雜度，因此需要有效解決方案。

1 技術(shù)原理

增強(qiáng)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(duì)信號(hào)本身進(jìn)行增強(qiáng)，不解析USB協(xié)議，通過(guò)自主知識(shí)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(gè)互聯(lián)的USB 2.0設(shè)備間提供1條高速透明通道，且對(duì)其兩端USB設(shè)備來(lái)說(shuō)，兼容任何USB 2.0主機(jī)、設(shè)備及Hub(集線器)，無(wú)需安裝驅(qū)動(dòng)。NS1021在PC機(jī)與移動(dòng)硬盤(pán)傳輸系統(tǒng)中的應(yīng)用如圖1所示。

過(guò)對(duì)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(cè)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(guò)長(zhǎng)距離傳輸，信號(hào)質(zhì)量并沒(méi)有受到影響。

NS1021系列芯片的傳輸機(jī)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(cuò)機(jī)制得到保留。其中NS1021采用1對(duì)雙絞線傳輸，最大傳輸距離50 m；NS1021E采用2對(duì)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(jiǎn)單；芯片內(nèi)置電源模塊，只需5 V供電；各管腳均達(dá)到8 kV HBM ESD的性能標(biāo)準(zhǔn)。

左邊電路可以做成PCI擴(kuò)展卡置于PC機(jī)箱內(nèi)部，右邊部分可以做成擴(kuò)展盒，與顯示器和鍵盤(pán)鼠標(biāo)一起部署于用戶端，從而用戶端無(wú)需再部署主機(jī)，良好的實(shí)時(shí)性，可保證操作遠(yuǎn)端主機(jī)時(shí)感受不到延遲。

3.2 視頻會(huì)議系統(tǒng)應(yīng)用

視頻會(huì)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(guò)5 m，因此傳統(tǒng)應(yīng)用較多地考慮以太網(wǎng)傳輸，后者涉及復(fù)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(tǒng)開(kāi)發(fā)和維護(hù)難度。借助NS1021/1021E信號(hào)增強(qiáng)特性，允許使用者在設(shè)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(huì)議系統(tǒng)延長(zhǎng)傳輸應(yīng)用，由于涉及音視頻信號(hào)、控制信號(hào)傳輸和存儲(chǔ)設(shè)備訪問(wèn)，部分傳輸為雙向，比KVM系統(tǒng)更復(fù)雜。該應(yīng)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(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(shì)。

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(zhǎng)延器長(zhǎng)應(yīng)用器應(yīng)用

4 新興應(yīng)用實(shí)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(wú)長(zhǎng)距離傳輸需求新興應(yīng)用，使得NS1021/NS1021E成為為設(shè)備間的互聯(lián)接口的剛需。

4.1 車(chē)載USB應(yīng)用

USB 2.0在傳輸速率、功耗及通用性上遠(yuǎn)超過(guò)100Mbit/s車(chē)載以太網(wǎng)，但業(yè)內(nèi)一般認(rèn)為USB難以滿足車(chē)載對(duì)可靠性的嚴(yán)格要求而未能廣泛應(yīng)用。NS1021/1021E則彌補(bǔ)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連接器及線纜或車(chē)載USB連接器及線纜，可實(shí)現(xiàn)設(shè)備間穩(wěn)定的數(shù)據(jù)交互，而支持長(zhǎng)距離可靠傳輸，車(chē)內(nèi)布線更靈活。車(chē)載視頻與數(shù)據(jù)傳輸?shù)牡湫蛻?yīng)用如圖5所示，中控主機(jī)連接前/后視攝像頭、激光雷達(dá)、DMS、行車(chē)記錄儀、USB擴(kuò)展等設(shè)備。

4.2 混合有源光纜應(yīng)用

近年來(lái)USB3.1接口已在PC機(jī)上普及，提升了其與外部設(shè)備間數(shù)據(jù)交換速度，并且得益于有源光纜（AOC）的應(yīng)用，將高帶寬的USB 3.1數(shù)據(jù)流通過(guò)光纖傳輸，利于延長(zhǎng)傳輸距離和增強(qiáng)抗干擾性。

該應(yīng)用還常需要借助USB 2.0鏈路傳輸控制信號(hào)。PC機(jī)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(zhǎng)距離光傳輸難以穩(wěn)定可靠實(shí)現(xiàn)。

為解決這一問(wèn)題，可以使用混合有源光纜，即AOC線纜中不僅使用光纖傳輸U(kuò)SB 3.1信號(hào)，還使用金屬線纜傳輸U(kuò)SB 2.0信號(hào)。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(hào)延長(zhǎng)，并使用混合線纜作為傳輸介質(zhì)，可以在PC機(jī)通過(guò)USB 3.1接口與幾十米之外的設(shè)備互聯(lián)時(shí)，保持對(duì)USB 2.0的兼容性。

制面協(xié)議報(bào)文過(guò)濾限制，如LDP協(xié)議標(biāo)簽過(guò)濾僅允許匯聚層設(shè)備某環(huán)回地址生成LDP標(biāo)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(guī)劃好，避免出現(xiàn)瑣碎地址段以便管理。

4 結(jié)語(yǔ)

IP核心網(wǎng)轉(zhuǎn)發(fā)處理能力強(qiáng)，但控制面和管理面處理能力有限，同時(shí)IP網(wǎng)絡(luò)對(duì)接入終端缺乏認(rèn)證授權(quán)機(jī)制，導(dǎo)致任何終端均可隨意接入網(wǎng)絡(luò)，IP網(wǎng)絡(luò)通信節(jié)點(diǎn)眾多，通信協(xié)議層出不窮。網(wǎng)絡(luò)的開(kāi)放性和復(fù)雜性，對(duì)運(yùn)營(yíng)商的管理和運(yùn)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(yīng)保證設(shè)計(jì)配置方案最大限度的滿足安全要求，確保安全加固目標(biāo)服從業(yè)務(wù)目標(biāo)，提升互聯(lián)網(wǎng)用戶的感知水平，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。