向前地

通用串行总线（USB）是一种快速、双向、低成本的串行接口标准，使外围设备能够连接到计算机或手机。USB 2.0或高速USB广泛用于USB相机、移动存储、HID控制和其他外围设备。然而，标准USB 2.0信号是直流耦合的，限制在5米以内，并且容易受到干扰噪声的影响。为了在更广泛的应用中缓解上述问题，提出了一种基于NS1021芯片集的USB 2.0扩展程序解决方案。本文介绍了NS1021扩展器的原理和一些使用案例。

道德原则

标准的USB 2.0主机和设备通过电缆共享同一接地。一端的任何电压噪声都会导致电缆另一端的电压电势不相等，这可能会导致较长电缆或嘈杂环境中的USB数据传输错误。为了突破这个限制，Norel Systems有限公司设计了一个USB 2.0扩展芯片组NS1021。它增强了USB 2.0信令，同时保持USB协议层不变。在物理层，通过数据编码和解码，将标准的USB2.0直流耦合信号转换为交流耦合信号。使用交流耦合传输降低了传输通道的共模电压噪声，提高了数据传输的可靠性，并显著降低了长距离电缆过电压损坏的几率。NS1021扩展器在USB主机和设备之间提供高速透明通道，与USB 2.0主机、设备和集线器兼容。不需要软件驱动程序。NS1021扩展器保证了480Mbps的USB 2.0高速带宽，传输延迟很小。

传输电缆最长可达50米，既可以是CAT5e等双绞线，也可以是同轴电缆等单端屏蔽电缆。由于USB协议未更改，NS1021扩展器可防止在使用任何USB主机或设备时出现潜在的兼容性问题。它还保留了USB协议本身所形成的出色的容错机制。当与USB 2.0集线器连接时，USB低速和全速设备也通过USB集线器支持。NS1021芯片组旨在通过在一个5毫米x 5毫米的QFN32小封装内集成功率调节器来简化PCBA空间和BOM。NS1021芯片组通过了芯片级ESD测试中所有引脚的4KV HBM ESD测试，使该NS1021 USB扩展器解决方案在ESD压力环境中非常强大。

                                                                        Figure 1 An example of NS1021 Extender use case

图1显示了如何使用NS1021 USB 2.0扩展器的示例。System 1是一种传统的连接方式，USB移动硬盘通过1米的USB电缆直接连接到PC上的USB主机。系统2显示了同一USB设备的远程连接，其中一根50米的双绞线和一对NS1021扩展器连接在PC和USB硬盘之间。得益于NS1021 USB扩展器，即使硬盘位于远程，它也能很好地与电脑配合使用。

原理（续）

为了评估NS1021 USB扩展器对系统性能和信号完整性的影响，使用CrystalDiskMark Benchmark软件工具来比较这两个系统之间的读写速度。当强制USB移动硬盘设备发送USB 2.0测试包模式时，也在PC接口处测量USB 2.0眼图。图2和图3分别显示了上述系统1和系统2的测量结果。可以看出，NS1021扩展器并没有限制USB 2.0的高速带宽，而是以优异的信号质量大大提高了传输长度。

        Figure 2 Measured Performance and Eye-diagram of the System 1                                      Figure 3 Measured Performance and Eye-diagram of the System 2
                                                                                                                                                                                         with NS1021 Extender

典型应用

NS1021 USB扩展器解决方案将USB 2.0传输距离从5米扩展到50米。本节介绍NS1021 USB扩展器的一些典型应用程序。

KVM延长器

KVM代表键盘、视频和鼠标。KVM扩展器通过物理分离USB外围设备和PC，为企业用户提供了许多好处。例如，它可以消除电脑噪音和热量，使桌面区域更安静、更凉爽。它还将CPU和服务器移动到一个干净安全的地方。

图4显示了CAT5电缆上KVM扩展器的框图。在左手边，它有NS1021 USB扩展器和视频发射器，可以在电脑主板上的PCI扩展卡上制作。USB信号和视频信号都通过Cat5电缆传输到远端接收盒，如图4右侧所示。另一个NS1021 USB扩展器和视频接收器分别从电缆接收USB和视频信号。通过嵌入式USB集线器，键盘、鼠标和其他USB外围设备可以连接到接收器盒。在这个KVM示例中，NS1021 USB扩展器保证了Cat5电缆上的实时和高带宽USB扩展。

                                                                            Figure 4 NS1021 Extender used in KVM application

典型应用（续）

瘦客户端

瘦客户端或零客户端是在服务器计算环境中连接的简单且低性能的计算机。远程计算机或服务器完成了大部分工作，如计算和存储数据。与传统的PC客户端相比，瘦客户端系统更安全、更易于管理，成本更低、功耗更低，占用的空间更小。随着企业IT架构向“云时代”的转变，瘦客户端作为一种高效、安全、低成本的虚拟化桌面实现，逐渐获得了市场的认可。

图5精简客户端应用程序中使用的NS1021扩展器

图5显示了适用于企业应用程序的瘦客户端方案。该系统包括许多相同且独立的子系统。每个子系统由一个瘦客户端、一台PC主机和一对NS1021 USB扩展器组成，它们通过Cat5电缆连接。企业使用的现有网络电缆可以用作NS1021 USB扩展器的传输电缆，最长可达50米，可以满足大多数办公空间的需求。

每个客户端代表员工桌面上的终端设备，包括键盘、鼠标和显示器，如KVM应用程序。所有的PC主机都可以在中央计算机室内进行维护。这种集中式部署方法具有以下优点。首先，由于瘦客户端上的数据只能读取而不能复制，因此机密信息是安全的。其次，办公区的噪音和热量较小。这改善了工作环境和员工的工作效率。此外，中央计算机室的温度、湿度和防尘可以很容易地控制，这有助于延长计算机的使用寿命。此外，一旦任何PC主机设备出现故障，它都可以方便地进行维护、升级、检查和维修。

典型应用（续）

视频会议

视频会议在远程工作中发挥着越来越重要的作用，尤其是在新冠肺炎疫情期间。在典型的视频会议系统中，涉及多个音频和视频流以及控制流，要求超过5米的传输距离。传统上，以太网传输已经被用于这样的视频会议系统中。然而，它需要复杂的音频/视频编解码器和IP网络服务。IP网络不仅增加了维护难度，还增加了视频传输的延迟，从而使实时视频在现场会议中的传输变得极其困难。

                                                                                    Figure 6 NS1021 Extender used in Video

会议应用程序

NS1021扩展器可在视频会议系统中实现低延迟视频和数据传输。图6显示了一个典型的应用程序。通过USB集线器，USB摄像头和DisplayLink监视器可以连接到视频会议系统中的远程PC。该系统还可以连接USB键盘、鼠标和外部存储器。与以太网传输相比，视频会议中的USB传输不涉及任何额外的网络协议层和网络分组操作。因此，可靠性和实时性得到了保证。通过NS1021扩展器的USB 2.0高速链路的带宽足以用于大多数视频会议应用。

新兴应用

由于NS1021扩展器在数据通信中使用AC耦合信令，因此传输距离得到了扩展，抗噪性得到了显著提高。因此，NS1021扩展器也被发现在一些新兴的应用中很有用。本节介绍了一些例子。

汽车USB

汽车以太网在汽车工业中得到了广泛的应用。尽管USB 2.0信令也具有高数据带宽和低得多的功耗，但它并没有被汽车行业广泛采用，因为USB传输通常被认为难以满足汽车可靠性要求。由于NS1021扩展器具有卓越的抗噪性，因此引入了汽车USB的概念。

图7用于汽车USB应用的NS1021扩展器

图7显示了基于NS1021扩展器的汽车视频和数据传输的典型应用。中央控制单元SOC通过NS1021扩展器连接到一些USB接口设备，如前摄像头和后摄像头、驾驶员监控系统（DMS）、行车记录仪、T-Box和其他一些USB外围设备。

NS1021扩展器解决方案支持汽车USB连接。传输电缆和车辆高速数据（HSD）连接器的带宽要求小于400MHz，HSD连接器的阻抗要求为差分100欧姆+/-25%。这一要求很容易满足，从而大大降低了系统成本。车内的布线也变得更加灵活。相比之下，汽车行业中用于高带宽视频和数据传输的传统HSD连接器需要1GHz以上的带宽。阻抗变化必须在15%的范围内。这样的连接器要昂贵得多。

新兴应用（续）

混合AOC

如今，USB 3.1接口已经在PC上无处不在，大大提高了PC与外部设备之间的数据通信速度。由于有源光缆（AOC）的应用，高带宽USB 3.1数据流很容易通过光纤，以延长传输距离。不幸的是，USB 2.0信号是DC耦合的，这与USB 3.1的AC耦合信令不同。因此，通过光缆传输USB 2.0信号要困难得多。到目前为止，很少有稳定可靠的USB 2.0光传输。

                                                                  Figure 8 NS1021 Extender used in AOC application

为了解决这个问题，一些AOC制造商提出了一种混合有源光缆。铜线用于与用于USB 3.1信号的光纤并行传输USB 2.0信号。这种混合AOC应用程序的示例如图8所示。NS1021扩展器除了用于USB 3.1的光学模块外，还用于USB 2.0信号扩展。这种混合光缆能够在长达50米的长距离传输USB 2.0和USB 3.1信号。

新兴应用（续）

机器视觉

机器视觉（MV）是一种用于为自动检测、过程控制和机器人制导等行业应用提供基于成像的自动检测和分析的技术。USB 2.0相机具有成本效益，但由于传输距离有限和工业领域复杂的电磁环境，它们不容易用于MV应用。

为了在MV应用中使用经济高效的USB 2.0摄像头，采用了NS1021扩展器。NS1021扩展器的交流耦合信号适用于工业电磁环境。当与屏蔽双绞线或同轴电缆相结合时，可以进一步增强抗噪声性。该解决方案还支持近年来出现的使用3D或AI技术的USB摄像头。

图9机器视觉应用程序中使用的NS1021扩展器

图9显示了MV应用程序中使用的NS1021扩展器的示例。NS1021扩展芯片提供4个GPIO引脚，可用于这些应用中的状态灯控制或报警控制。此外，NS1021芯片组在一个小封装内集成了功率调节器，使其易于嵌入硬件系统的现有外形中。

新兴应用（续）

USB接口隔离

标准USB 2.0是直流耦合接口。SOC的USB引脚直接连接到暴露在外部环境中的USB连接器。为了防止接口损坏，可以添加隔离装置进行保护。但隔离装置只能并联连接在USB信号线和电源或接地之间。这样的保护不能完全防止USB接口上的过电压造成的损坏。因此，在许多行业应用中，USB 2.0接口出现一些损坏是很常见的。当很难修复损坏的SOC时，必须报废整个电路板。

图10 USB接口隔离应用程序中使用的NS1021扩展器

NS1021 USB扩展器将USB DC耦合信号转换为AC耦合信号。此功能使NS1021扩展器成为USB接口隔离的理想选择。如图10所示，SOC接口由NS1021扩展器与高频变压器T1或交流耦合电容器C1和C2隔离。这些部件有效地防止了过电压在SOC接口上发生。因此，NS1021 USB扩展器解决方案提供了USB接口隔离，并降低了维护的复杂性。

结论

NS1021 USB 2.0扩展器芯片组支持50米电缆以上的USB扩展，提高了抗噪性，并在连接的USB主机和设备之间提供了高速透明的通道。它与任何USB 2.0主机、USB 2.0设备和USB 2.0集线器兼容，无需安装软件驱动程序。NS1021 USB扩展器解决方案已在许多应用中被广泛采用。我们期待看到更多的应用程序使用NS1021扩展器。