圖1以PC直接讀寫(xiě)移動(dòng)硬盤(pán)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(shí)測讀寫(xiě)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?？梢钥闯?，經(jīng)過(guò)長(cháng)距離傳輸，信號質(zhì)量并沒(méi)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(shí)和避免協(xié)議解析造成的兼容性問(wèn)題，并且USB協(xié)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(xiàn)傳輸，最大傳輸距離50m；NS1021E采用2對雙絞線(xiàn)，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(jiǎn)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(jīng)典應用

 

NS1021常見(jiàn)應用包括如下幾種。

 

KVM延長(cháng)器系統

 

該系統的核心優(yōu)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(wǎng)線(xiàn)，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(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。

 

視頻會(huì )議系統

 

視頻會(huì )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(guò)5m，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)效性并且增加了系統開(kāi)發(fā)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(xiàn)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(fǎng)問(wèn)，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(huán)節不需額外增加協(xié)議解析環(huán)節；相對而言，使用以太網(wǎng)，不僅要做協(xié)議解析，而且傳輸時(shí)還要增加網(wǎng)絡(luò )封包解包的操作，可靠性和實(shí)時(shí)性都大大降低。進(jìn)一步的，USB 2.0的帶寬高于百兆網(wǎng)，也是個(gè)重要優(yōu)勢。

 

零客戶(hù)端

 

隨著(zhù)企業(yè)IT架構向“云時(shí)代”的轉變，零客戶(hù)端作為一種高效、簡(jiǎn)單、安全、低成本的虛擬化桌面實(shí)施方式，逐漸得到了市場(chǎng)的認可。

 

 

圖6

 

圖6給出了一個(gè)適于企業(yè)應用的零客戶(hù)端設計方案，該系統包括n個(gè)相同且相互獨立的子系統，每個(gè)子系統的結構與圖3類(lèi)似。PC_n代表第n臺主機，統一部署于主機房?jì)?；而ZeroClint_n代表員工桌面上的終端設備，包括鍵盤(pán)鼠標顯示器等。這種集中化的部署方式，具有如下優(yōu)點(diǎn)：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(cháng)使用壽命；第二，辦公區內不再有主機噪音和散熱問(wèn)題，環(huán)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(yè)，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(yè)將現有系統的改造，可以利用現有部署的網(wǎng)線(xiàn)作為傳輸線(xiàn)纜，傳輸距離可達到50m，滿(mǎn)足絕大多數辦公場(chǎng)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(zhù)提高。近年來(lái)，一些原本沒(méi)有長(cháng)距離傳輸需求的應用中，也使用了NS1021/NS1021E作為設備間的互聯(lián)接口。

 

車(chē)載USB

 

USB 2.0在傳輸速率、功耗及通用性上都遠遠超過(guò)100M車(chē)載以太網(wǎng)，但業(yè)內一般認為USB難以滿(mǎn)足車(chē)載產(chǎn)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(chē)載USB這一概念的誕生。車(chē)載USB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，實(shí)現了設備間的穩定的數據交互，并支持長(cháng)距離可靠傳輸，車(chē)內布線(xiàn)更靈活。圖7給出了車(chē)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(chē)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(xiàn)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(zhì)量線(xiàn)材使用，生產(chǎn)工藝復雜，價(jià)格高；而車(chē)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(mǎn)足，從而大幅降低線(xiàn)纜成本。

 

機器視覺(jué)

 

USB攝像頭在機器視覺(jué)等工業(yè)現場(chǎng)中應用廣泛，而其中又以USB 2.0攝像頭的性?xún)r(jià)比最高。但是不可避免的傳輸距離不足，以及工業(yè)現場(chǎng)復雜的電磁環(huán)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(xiàn)纜可以使用屏蔽雙絞線(xiàn)或同軸線(xiàn)，結合交流耦合的優(yōu)勢，抗干擾能力進(jìn)一步增強。對于近年來(lái)新出現的使用了3D和AI技術(shù)的USB攝像頭，也可支持。此外，NS1021/1021E還可以提供4個(gè)GPIO的狀態(tài)透傳，用于狀態(tài)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(yōu)勢，對于很多USB攝像頭來(lái)說(shuō)，可以不用修改現有結構，降低了開(kāi)發(fā)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(wú)法串聯(lián)隔離器件，接口保護設計的常規做法是在信號線(xiàn)與地或電源之間并聯(lián)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(jiàn)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(zhù)整個(gè)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(xiàn)上串聯(lián)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(guò)程中，遇到了超出設計指標的EMC干擾，也不會(huì )直接損壞主控芯片，最多也只是會(huì )損壞NS1021/NS1021E這一級，維修難度大大降低。

 

結語(yǔ)

 

NS1021/NS1021E在兩個(gè)互聯(lián)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(lái)說(shuō)，通道是透明的，兼容任何USB 2.0主機、設備及Hub，無(wú)需安裝驅動(dòng)。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(huì )出現更多基于NS1021/NS1021E的新應用。