【導讀】USB 2.0標準最高支持480Mbps的傳輸速率，憑借其標準化的傳輸協議，成熟且通用的技術和低廉的價格，在攝像頭、移動存儲、HID控制等多種設備中廣泛應用。但是普通USB傳輸系統存在抗干擾性差和傳輸距離近的問題，對其應用場合帶來了限制。
前言
USB 2.0標準最高支持480Mbps的傳輸速率，憑借其標準化的傳輸協議，成熟且通用的技術和低廉的價格，在攝像頭、移動存儲、HID控制等多種設備中廣泛應用。但是普通USB傳輸系統存在抗干擾性差和傳輸距離近的問題，對其應用場合帶來了限制。本文提出了一種解決了上述問題的增強型USB 2.0傳輸方案，簡述了其原理，并通過幾個用例對USB 2.0接口的使用場景做了延伸。
一、技術原理
USB 2.0的應用限制主要體現在傳輸距離近，抗干擾性差兩方面。具體來說，USB線纜的長度不超過5m，這是業內對USB2.0傳輸能力的普遍共識；USB 2.0為DC耦合，Host和Device端必須共地，共地依靠傳輸線纜實現，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，也增加了芯片接口保護的復雜度。
NS1021/1021E為瑞發科公司推出的旨在增強USB 2.0接口傳輸性能的方案，突破了上述限制。該方案從物理層直接對信號本身進行增強，不解析USB 2.0協議，通過自主知識產權的AC耦合技術和編解碼技術，提升了傳輸的可靠性。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/NS1021E在兩個互聯的USB 2.0設備間提供了一條高速通道，而且對其兩端的USB設備來說，通道是透明的，兼容任何USB 2.0主機、設備及Hub，無需安裝驅動。
圖1
圖1以PC直接讀寫移動硬盤為例，分別描述了標準USB 2.0傳輸系統（System 1）和基于NS1021的傳輸系統（System 2）的對比。圖2是使用ATTO Disk Benchmark軟件實測讀寫速度的結果，其中左圖對應System 1，右圖對應System 2。對比可知，使用NS1021不影響傳輸速度。
圖2
圖3是使用NS1021的系統中，USB 2.0接口的眼圖，對應圖1中①位置。可以看出，經過長距離傳輸，信號質量并沒有受到影響。
圖3
NS1021/1021E的傳輸機制，不僅能夠保證USB 2.0最大480Mbps的傳輸速率，還做到了傳輸零延時和避免協議解析造成的兼容性問題，并且USB協議原有的良好的容錯機制，也得到了保留。NS1021采用1對雙絞線傳輸，最大傳輸距離50m；NS1021E采用2對雙絞線，最大傳輸距離40m，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5V供電；各管腳均達到8KV HBM ESD的性能標準。
二、經典應用
NS1021常見應用包括如下幾種。
KVM延長器系統
該系統的核心優勢就是維持480Mbps的最大傳輸速率前提下，將USB 2.0遠距離傳輸，并結合NS5530/5531為代表的視頻傳輸方案，只需一根Cat 5網線，即可操作遠端的PC機。
圖4
如圖4所示，左邊的電路可以做成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。
視頻會議系統
視頻會議系統中，涉及多種音視頻流和控制流，而且傳輸距離一般超過5m，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，會影響時效性并且增加了系統開發和維護難度。
圖5
借助NS1021/1021E對信號的增強，系統允許使用者在設備端與PC之間使用Cat 5線纜傳輸數據，圖5給出了一種典型應用，該系統比KVM系統更復雜，涉及音頻信號、視頻信號、控制信號傳輸和存儲設備訪問，部分傳輸還是雙向的。上述設備自身均為USB設備，直接使用USB接口傳輸，中間環節不需額外增加協議解析環節；相對而言，使用以太網，不僅要做協議解析，而且傳輸時還要增加網絡封包解包的操作，可靠性和實時性都大大降低。進一步的，USB 2.0的帶寬高于百兆網，也是個重要優勢。
零客戶端
隨著企業IT架構向“云時代”的轉變，零客戶端作為一種高效、簡單、安全、低成本的虛擬化桌面實施方式，逐漸得到了市場的認可。
圖6
圖6給出了一個適于企業應用的零客戶端設計方案，該系統包括n個相同且相互獨立的子系統，每個子系統的結構與圖3類似。PC_n代表第n臺主機，統一部署于主機房內；而ZeroClint_n代表員工桌面上的終端設備，包括鍵盤鼠標顯示器等。這種集中化的部署方式，具有如下優點：第一，主機房的溫濕度及防塵容易統一控制，減緩了設備老化速度，利于延長使用壽命；第二，辦公區內不再有主機噪音和散熱問題，環境得到改善；第三，利于設備維護和升級，且一旦設備出現故障，便于檢驗維修；第四，對于具有保密要求的行業，PC機上的數據只能“看”而不能“拷貝”，利于數據安全管理。
此外，企業將現有系統的改造，可以利用現有部署的網線作為傳輸線纜，傳輸距離可達到50m，滿足絕大多數辦公場所的使用需求。
三、新興應用
NS1021/NS1021E使USB 2.0的抗干擾性得到顯著提高。近年來，一些原本沒有長距離傳輸需求的應用中，也使用了NS1021/NS1021E作為設備間的互聯接口。
車載USB
USB 2.0在傳輸速率、功耗及通用性上都遠遠超過100M車載以太網，但業內一般認為USB難以滿足車載產品對可靠性的嚴格要求，未能得到廣泛應用。NS1021/1021E彌補了USB 2.0接口的不足，并促成了車載USB這一概念的誕生。車載USB使用車載低頻HSD連接器及線纜或車載USB連接器及線纜，實現了設備間的穩定的數據交互，并支持長距離可靠傳輸，車內布線更靈活。圖7給出了車載視頻與數據傳輸的典型應用，中控主機連接前/后視攝像頭、激光雷達、DMS、行車記錄儀、USB Hub擴展等設備。
圖7
另一方面，NS1021/1021E的引入，降低了對線纜和連接器的要求。目前廣泛用于主機與分離屏的連接的HSD連接器的帶寬要求到2GHz以上，連接器阻抗要求為差分100歐姆+/-15%，一般搭配高質量線材使用，生產工藝復雜，價格高；而車載低頻HSD連接器帶寬要求為400MHz，連接器處的阻抗要求為差分100歐姆+/-25%即可，性能要求更容易滿足，從而大幅降低線纜成本。
機器視覺
USB攝像頭在機器視覺等工業現場中應用廣泛，而其中又以USB 2.0攝像頭的性價比最高。但是不可避免的傳輸距離不足，以及工業現場復雜的電磁環境，均限制了USB攝像頭的應用。
圖8
如圖8所示，在傳統USB攝像頭中加入NS1021/1021E，傳輸線纜可以使用屏蔽雙絞線或同軸線，結合交流耦合的優勢，抗干擾能力進一步增強。對于近年來新出現的使用了3D和AI技術的USB攝像頭，也可支持。此外，NS1021/1021E還可以提供4個GPIO的狀態透傳，用于狀態燈控制或報警控制。
NS1021/1021E自身還具有功耗低、內置電源、占用板面積小等優勢，對于很多USB攝像頭來說，可以不用修改現有結構，降低了開發復雜度。
接口隔離保護
標準USB 2.0作為一種DC耦合的接口，其控制器的管腳是直接對外的，中間無法串聯隔離器件，接口保護設計的常規做法是在信號線與地或電源之間并聯保護器件。但這樣的措施并不能夠完全防止超出控制器管腳容限能力的電壓信號造成管腳損壞，很多的工程中都常見USB損壞的案例，并且出現這樣的損壞，往往直接損壞了主控芯片的管腳，維修難度大甚至不可維修，意味著整個板卡的報廢。
圖9
NS1021/1021E將標準USB的直流耦合方式變成了對外的交流耦合，如圖9所示，信號線上串聯的高頻變壓器T1或電容C1、C2有效避免了直流電壓信號直接加在控制器管腳上造成接口損壞。而且即使設備使用過程中，遇到了超出設計指標的EMC干擾，也不會直接損壞主控芯片，最多也只是會損壞NS1021/NS1021E這一級，維修難度大大降低。
結語
NS1021/NS1021E在兩個互聯的USB 2.0設備間提供了一條高速通道，而且對其兩端的USB設備來說，通道是透明的，兼容任何USB 2.0主機、設備及Hub，無需安裝驅動。彌補了標準USB 2.0接口傳輸距離近，抗干擾性差兩方面的不足，擴展了USB 2.0接口的使用范圍，相信今后還會出現更多基于NS1021/NS1021E的新應用。
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