一种增强型USB 2.0延长传输方案和应用实例

< 2020.10一种增强型USB 2.0延长传输方案和应用实例

An USB 2.0 extending transmission solution with application examples

牟奎霖（天津瑞发科半导体技术有限公司，天津 300384）

摘要：USB 2.0凭借其传输协议标准化、技术成熟且通用和价格低廉，广泛应用在摄像头、移动存储、HID 控制等众多设备。但普通USB传输系统存在抗干扰性差和传输距离近的问题，限制其应用场合。基于NS1021延长器收发芯片的增强型USB 2.0传输解决方案，既有效地解决上述问题，且支持多种通用线材。本文简述该传输方案原理及设计，并通过应用实例对USB 2.0接口使用场景进行延伸说明。关键词：USB 2.0接口和协议；延长器芯片；抗干扰；兼容性；可靠性

0 引言

USB 2.0应用限制主要在于传输距离近和抗干扰性差两方面，业内对其传输能力普遍共识为USB 线缆长度不超过5 m ；USB 2.0为DC 耦合，主从端必须共地，共地则依靠传输线缆实现，所以地上的电压波动会引起传输误码，同时信号线从芯片管脚引出直接对外，也增加芯片接口保护的复杂度，因此需要有效解决方案。

1 技术原理

增强型USB 2.0接口传输性能的方案基于瑞发科公司的NS1021系列芯片，可突破上述限制。该方案从物理层直接对信号本身进行增强，不解析USB 协议，通过自主知识产权AC 耦合技术和编解码技术，提升传输可靠性。AC 耦合可消除传输线缆上的共模干扰电压，提高可靠性，避免因高压或地线

上浪涌损坏。NS1021在2个互联的USB 2.0设备间提供1条高速透明通道，且对其两端USB 设备来说，兼容任何USB 2.0主机、设备及Hub (集线器)，无需安装驱动。NS1021在PC 机与移动硬盘传输系统中的应用如图1所示。

图１　ＮＳ１０２１在ＰＣ直接读写移动硬盘中的应用

使用ATTO Disk Benchmark 软件实测读写速度，通

过对比可知，使用NS1021不影响传输速度。

2 测试效果

使用NS1021的系统中USB 2.0接口的眼图如图2所示，可以看出，经过长距离传输，信号质量并没有受到影响。

图２　使用ＮＳ１０２１的系统中ＵＳＢ　２．０接口的眼图

NS1021系列芯片的传输机制不仅能够保证USB 2.0最大480 Mbit /s 传输速率，还做到传输零延时和避免协议解析造成的兼容性问题，且USB 协议原有的良好的容错机制得到保留。其中NS1021采用1对双绞线传输，最大传输距离50 m ；NS1021E 采用2对双绞线，最大传输距离40 m ，均可连接hub 使用，可以配合hub 支持低速/全速/高速三种速度规格，QFN32（5x5）封装，外围电

ELECTRONIC ENGINEERING & PRODUCT WORLD 2020.10

设计应用

esign & Application

路简单；芯片内置电源模块，只需5 V 供电；各管脚均

达到8 kV HBM ESD 的性能标准。

3 经典应用实例

３．１　ＫＶＭ延长器系统应用

该系统核心优势就是在维持最大传输速率480 Mbit /s 前提下延长USB 2.0传输，并结合瑞发科AVT 高清视频延长器芯片组NS5530/5531，只需1根Cat5网线即可操作远端的PC 机。这种经典新型KVM 的USB 2.0与视频延长器应用如图3所示。

图３　经典新型ＫＶＭ的ＵＳＢ　２．０与视频延长器应用

左边电路可以做成PCI 扩展卡置于PC 机箱内部，右边部分可以做成扩展盒，与显示器和键盘鼠标一起部署于用户端，从而用户端无需再部署主机，良好的实时性，可保证操作远端主机时感受不到延迟。

３．２　视频会议系统应用

视频会议系统涉及多种音视频流和控制流，而传输距离一般超过5 m ，因此传统应用较多地考虑以太网传输，后者涉及复杂的音视频编解码和网络传输业务，会影响时效性且增加系统开发和维护难度。借助NS1021/1021E 信号增强特性，允许使用者在设备端与PC 之间使用Cat5线缆传输数据，如图4所示为新型视频会议系统延长传输应用，由于涉及音视频信号、控制信号传输和存储设备访问，部分传输为双向，比KVM 系统更复杂。该应用直接使用USB 接口传输，无需额外增加协议解析环节，而且，USB2

.0的带宽更高，因此本方案比百兆以太网更有优势。

图４　新型视频会议系统延长传输应用

4 新兴应用实例

NS1021系列芯片使USB 2.0抗干扰性显著提高，催生一些原本无长距离传输需求新兴应用，使得NS1021/NS1021E 成为为设备间的互联接口的刚需。

４．１　车载ＵＳＢ应用

USB 2.0在传输速率、功耗及通用性上远超过100 Mbit /s 车载以太网，但业内一般认为USB 难以满足车载对可靠性的严格要求而未能广泛应用。NS1021/1021E

参红祛瘀散结胶囊

达、DMS 、行车记录仪、USB 扩展等设备。

HUB

SOC

USB2.0QDFILM

USB2.0USB2.0

NS1021/NS1021E NS1021/NS1021E NS1021/NS1021E NS1021/NS1021E

USB2.0

USB2.0USB2.0USB2.0

DMS 录制USB Hub Tbox 相机/雷达

图５　车载视频与数据传输典型应用

４．２　混合有源光缆应用

近年来USB3.1接口已在PC 机上普及，提升了其与外部设备间数据交换速度，并且得益于有源光缆（AOC ）的应用，将高带宽的USB 3.1数据流通过光纤传输，利于延长传输距离和增强抗干扰性。该应用还常需要借助USB 2.0链路传输控制信号。PC 机的原生USB 3.1接口虽然提供USB 2.0的通道，但由于USB 2.0

协议中rounder trip delay 的限制，使USB 2.0的长距离光传输难以稳定可靠实现。

为解决这一问题，可以使用混合有源光缆，即AOC 线缆中不仅使用光纤传输USB 3.1信号，还使用金属线缆传输USB 2.0信号。如图6所示，在通用USB 3.1 AOC 线缆中增加NS1021用于USB 2.0信号延长，并使用混合

线缆作为传输介质，可以在PC 机通过USB 3.1接口与几十米之外的设备互联时，保持对USB 2.0的兼容性。

（下转第６９页）

大型设备包装箱

< 2020.10制面协议报文过滤限制，如LDP 协议标签过滤仅允许汇聚层设备某环回地址生成LDP 标签，所以各城域网在新启用环回地址网段和与CR 的互联地址网段时需要提前规划好，避免出现琐碎地址段以便管理。

4 结语

IP 核心网转发处理能力强，但控制面和管理面处理能力有限，同时IP 网络对接入终端缺乏认证授权机

制，导致任何终端均可随意接入网络，IP 网络通信节点众多，通信协议层出不穷。网络的开放性和复杂性，对运营商的管理和运维提出了更高要求，在进行网络安全加固的过程中，应保证设计配置方案最大限度的满足安全要求，确保安全加固目标服从业务目标，提升互联网用

户的感知水平，打造高质量的网络品牌口碑。

参考文献：

[1] 刘倩，吕艳娜.基于MD5的IP城域网动态IGP协议加密部署[J].信息通信,2019(12):216-217.

[2] 丁文龙.基于IP城域网优化及实现策略的探讨[J].中国新通信, 2019,21(07):58.

[3] 潘伟.IP城域网网络安全防护策略思考[J].西部广播电视, 2019(07):252-253.

[4] 舒畅，张琰.路由优化的网络安全设计与实现[J].信息与电脑(理论版),2018(24):184-185.

[5] 张润哲.基于信任机制的BGP安全研究[D].南宁：广西大学, 2018.

[6] 赵一方. IS-IS协议网络拓扑发现及异常检测技术研究与实现[D].北京邮电大学,2018.

[7] 何钰，张威.策略路由在网络安全中的应用[J].网络安全和信息化, 2017(04):108-109.

[8] 王耀伟. IP城域网网络优化方案设计与实施[D].北京：北京邮电大学,2009.

（上接第６４页）４．３　机器视觉应用

螺纹套套高速摄像头在机器视觉等工业现场中应用很多，其中USB 2.0摄像头性价比最高，然而因传输距离不足和工业现场电磁环境复杂，均限制其应用。新型机器视觉系统延长传输应用则改变了现状，如图7所示，在传统USB 摄像头中加入NS1021

/1021E ，传输线缆可使用屏蔽双绞线或同轴线，结合交流耦合优势，抗干扰能力得到增强，更有益于近年来新出现的采用3D 和AI

技术的USB 摄像头。此外，NS1021/1021E 提供4个GPIO 状态透传，用于状态灯或报警控制，而其

自身具有功耗低、内置电源、占用板面积小等优势，对多种USB 摄像头无须修改现有结构，可以降低开发复杂度。

USB2.0

MCU/SOC

NS1021/NS1021E

USB 摄像机

NS1021/NS1021E GPIO GPIO

图７　新型机器视觉系统延长传输应用

5 接口隔离保护

标准USB 2.0作为1种DC 耦合接口，其控制器管脚直接对外，中间无法串联隔离器件，接口保护设计的常规做法是在信号线与地或电源之间并联保护器件。这种措施不能完全防止超出控制器管脚容限能

力的电压

信号而造成损坏，这在很多工程中屡见不鲜，常直接损坏主控芯片，使维修难度极大甚至整个板卡报废。NS1021/1021E 将标准USB 直流耦合变成对外交流耦合方式，如图8所示，信号线上串联的高频变压器T1或电容C1、C2有效避免直流电压信号直接加在控制器管脚上造成接口损坏。而且即使在设备使用过程中，遇到了超出设计指标的EMC 干扰，也不会直接损坏主控芯片，最多也只是会损坏NS1021/NS1021E 这一级，维修难度大大降低。

USB2.0

拉线绝缘子SOC

NS1021连接器

窑链USB2.0

SOC

NS1021

连接器

图８　标准ＵＳＢ直流耦合方式转对外交流耦合连接

6 结语

NS1021/NS1021E 为2个互联的USB 2.0设备提供1条高速通道，且对两端USB 设备而言通道透明，兼容任何USB 2.0主机、设备及hub ，无需安装任何驱动。这既弥补标准USB 2.0接口传输距离近和抗干扰性差的不足，又可扩展USB 2.0接口的使用范围，相信还会涌现更多基于此增强型USB 2.0延长传输的新应用。

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