Universal Serial Bus (USB) on luultavasti yksi maailman monipuolisimmista liitännöistä. Sen kehittivät alun perin Intel ja Microsoft, ja siinä on mahdollisimman nopea kytke ja käytä -toiminto. Vuonna 1994, 26 vuoden kehitystyön jälkeen, USB 1.0/1.1:n, USB 2.0:n ja USB 3.x:n kautta nykyiseen USB 4:ään, USB-tiedonsiirtonopeus on myös noussut 1,5 Mbps:stä viimeisimpään 40 Gbps:ään. Tällä hetkellä uudet älypuhelimet tukevat periaatteessa Type-C-liitäntää, ja myös kannettavat tietokoneet, digitaalikamerat, älykaiuttimet, mobiilivirtalähteet ja muut laitteet ovat alkaneet ottaa käyttöön TYPE-C-spesifikaation mukaisen USB-liitännän, joka on otettu onnistuneesti käyttöön autoteollisuudessa. USB-A:n sijaan Teslan uudessa Model 3:ssa on USB-C-portit, ja Apple on muuttanut MacBook- ja AirPods Pro -kannerit kokonaan puhtaiksi USB Type-C -porteiksi tiedonsiirtoa ja latausta varten. Lisäksi Apple aikoo EU:n vaatimusten mukaisesti käyttää tulevaisuuden iPhone 15:ssä myös USB Type-C -liitäntää, eikä ole epäilystäkään siitä, että USB4 on tulevaisuuden markkinoiden pääasiallinen tuoteliitäntä.
USB4-kaapeleiden vaatimukset
Suurin muutos uudessa USB4:ssä on Intelin ja usb-if:n kanssa jakaman Thunderbolt-protokollaspesifikaation käyttöönotto. Kahden linkin kautta toimiessa kaistanleveys kaksinkertaistuu 40 Gbps:ään, ja tunnelointi tukee useita data- ja näyttöprotokollia. Esimerkkejä ovat PCI Express ja DisplayPort. Lisäksi USB4 säilyttää hyvän yhteensopivuuden uuden pohjaprotokollan käyttöönoton kanssa ja on taaksepäin yhteensopiva USB3.2/3.1/3.0/2.0:n sekä Thunderbolt 3:n kanssa. Tämän seurauksena USB4:stä on tullut tähän mennessä monimutkaisin USB-standardi, joka vaatii suunnittelijoilta USB4:n, USB3.2:n, USB2.0:n, USB Type-C:n ja USB Power Delivery -spesifikaatioiden ymmärtämistä. Lisäksi suunnittelijoiden on ymmärrettävä PCI Expressin ja DisplayPortin spesifikaatiot sekä USB4 DisplayPort -tilan kanssa yhteensopiva HIGH-DEFINITION-sisällönsuojaustekniikka (HDCP). Tuttuihin kaapeleihin ja liittimiin liittyy korkeammat vaatimukset USB4-kaapelien lopputuotteiden sähköisten suorituskykyvaatimusten täyttämiseksi.
Koaksiaalinen versio USB4:stä ilmestyi tyhjästä
USB3.1 10G -aikakaudella monet valmistajat ottivat käyttöön koaksiaalirakenteen korkeataajuisen suorituskyvyn vaatimusten täyttämiseksi. Koaksiaalista versiota ei aiemmin käytetty USB-sarjoissa, ja sen käyttökohteita olivat pääasiassa kannettavat tietokoneet, matkapuhelimet, GPS-laitteet, mittauslaitteet, Bluetooth-tekniikka jne. Yleisesti käytettyjä kaapeleita ovat lääketieteellinen koaksiaalilinja, teflonkoaksiaalinen elektroninen linja, radiotaajuuskoaksiaalijohto jne. Markkinoiden kustannusten hallintavaatimusten myötä USB3.1-aikakaudella säikeistys tuotteen suorituskyvyn täyttämiseksi valtasi markkinat nopeasti. USB4-markkinoiden korkeataajuisten siirtovaatimusten kasvaessa ja nopean siirron vaatimusten myötä johdolla on oltava vahva häiriöidenestokyky ja sähköinen suorituskyky. Korkeataajuisen siirron vakauden varmistamiseksi nykyinen valtavirran USB4 on edelleen tärkein koaksiaaliversio. Koaksiaalin tuotanto- ja valmistusprosessi on monimutkainen prosessi. Korkeataajuisten ja nopeiden sovellusten ratkaiseminen vaatii sopivia tuotantolaitteita ja kypsän ja vakaan tuotantoprosessin. Tuotteen tuotannossa materiaalivalinnoissa, prosessiparametreissa ja prosessinohjauksessa erikoistuneiden laboratoriotestien sähköparametrit ovat avainasemassa koko koaksiaalirakenteen kehityksen pullonkaulan ajan. Muut hyvät tekijät (materiaalikustannukset, kalliit käsittelykustannukset) ovat kuitenkin tärkeitä, mutta markkinoiden kehitys pyörii aina sen ympärillä, miten saavuttaa suurin erähinta. Pari kierretty versio on aina ollut koaksiaalikehityksen, tutkimuksen ja kehityksen sekä läpimurron kuilussa.
Koaksiaalikaapelin rakenteesta voidaan nähdä sisäpuolelta ulospäin: keskijohdin, eristekerros, ulompi johtava kerros (metalliverkko) ja langan kuori. Koaksiaalikaapeli on kahden johtimen komposiitti. Koaksiaalikaapelin keskijohdinta käytetään signaalien lähettämiseen. Metallisella suojaverkolla on kaksi tehtävää: se toimii virtasilmukana signaalille yhteisenä maadoituksena ja se toimii sähkömagneettisen kohinan vaimentajana signaalille suojaverkkona. Keskijohtimen ja suojaverkon välissä on puolivaahtoava polypropeenieristekerros, joka määrittää kaapelin siirto-ominaisuudet ja suojaa tehokkaasti keskijohdinta. Tämä on kallis vaihtoehto.
Tuleeko USB4 kierretyn parin versio?
Koska elektroniset piirit toimivat korkeammilla taajuuksilla, elektronisten komponenttien sähköisten ominaisuuksien hallinta vaikeutuu. Kun komponentin koko tai koko piirin koko suhteessa toimintataajuuden aallonpituuteen on suurempi kuin yksi, piirin induktanssikapasitanssin arvo tai komponenttien materiaaliominaisuuksien loisvaikutus jne. Vaikka käytettäisiin johdinparirakennetta, perustaajuusparametrien testaus ei pysty täyttämään asiakkaiden vaatimuksia ja on paljon joustavampi kuin koaksiaalirakenne ja sen halkaisija on paljon suurempi. Miksi en voi käyttää pari-USB-kaapelia erissä? Yleisesti ottaen, mitä korkeampi kaapelin käyttötaajuus on, sitä lyhyempi signaalin aallonpituus ja mitä pienempi vinousjako, sitä parempi tasapainovaikutus. Liian pieni jatkojako johtaa kuitenkin alhaiseen tuotantotehokkuuteen ja eristetyn ydinjohtimen venähdykseen. Johdinparin jako on hyvin pieni, vääntöjännityksiä on paljon ja poikkileikkaukseen kohdistuva vääntöjännitys keskittyy vakavasti, mikä johtaa eristyskerroksen vakavaan muodonmuutokseen ja vaurioitumiseen ja lopulta sähkömagneettisen kentän vääristymiseen, mikä vaikuttaa joihinkin sähköisiin indikaattoreihin, kuten SRL-arvoon ja vaimennukseen. Kun eristys on epäkeskinen, johtimien välinen etäisyys muuttuu säännöllisesti eristävän yksittäisen johtimen pyörimisen ja kiertymisen vuoksi, mikä aiheuttaa impedanssin ajoittaista vaihtelua. Vaihtelujakso on suhteellisen pitkä. Korkeataajuisessa siirrossa tämä hidas muutos voidaan havaita sähkömagneettisilla aalloilla ja vaikuttaa heijastushäviön arvoon. USB4-pariversiota ei voida käyttää erissä.
Ei maahan, mutta en halua käyttää kuoleman koaksiaalikaapelia, joten ihmiset alkoivat tarkistaa USB4:n suojausmenetelmien eroja. Suurin haittapuoli on helposti kiertyvä johdin. Rinnakkaispakettien ero on suoraan kotitehtävä, jotta johtimet eivät vaurioidu. Kuten tiedämme, tällä hetkellä käytetään SAS- ja SFP+-liitäntöjä suurnopeuslinjoissa. Tämä osoittaa, että sen suorituskyvyn on oltava parempi kuin säikeisen version. Suurtaajuisen datalinjan tärkeä rooli on datasignaalien välittäminen, mutta kun sitä käytetään, voi esiintyä kaikenlaisia sotkuisia häiriötietoja. Mietitäänpä, jos nämä häiriösignaalit tulevat datalinjan sisäjohtimeen ja asettuvat päällekkäin alkuperäisen lähetetyn signaalin kanssa, onko mahdollista häiritä tai muuttaa alkuperäistä lähetettyä signaalia, mikä aiheuttaa hyödyllisen signaalin menetystä tai ongelmia? Alumiinifoliokerroksen tehtävänä on siirtää tietoa meille suojaavana ja suojana, vähentää ulkopuolisten riippumattomien signaalien häiriöitä lähetyksessä. Pääpakkaushihnan materiaalina ja alumiinifolion vetolujuutena käytetään alumiinifolion tiivistystä ja suojausta. Muovikalvo on päällystetty yksi- tai kaksipuolisesti. Tämä komposiittikalvo toimii kaapelin suojana. Kaapelikalvo vaatii vähemmän öljyä pinnalla, ei reikiä ja sillä on korkeat mekaaniset ominaisuudet. Käärimisprosessissa kaksi eristettyä ydinjohtoa ja maadoitusjohtoa kerätään yhteen käärintäkoneella. Samanaikaisesti alumiinifoliokerros ja itseliimautuva polyesteriteippi ulkopinnalla suojaavat johtoparia ja vakauttavat ydinjohtojen käärimisrakennetta. Tällä prosessilla on tärkeä vaikutus johtimen ominaisuuksiin, kuten impedanssiin, viive-eroon ja vaimennukseen. Tämä on tehtävä tiukasti käsityövaatimusten mukaisesti, ja sähköominaisuudet on testattava sen varmistamiseksi, että ydinjohtojen käärimisprosessi vastaa vaatimuksia. Kaikissa datalinjoissa ei tietenkään ole kahta suojauskerrosta. Joissakin on useita kerroksia, joissakin vain yksi kerros tai ei lainkaan. Suojaus on metallinen erotus kahden alueellisen alueen välillä, jolla hallitaan sähköisten, magneettisten ja sähkömagneettisten aaltojen induktiota ja säteilyä alueelta toiselle. Tarkemmin sanottuna johtimen ydintä ympäröi suojausosa, joka estää ulkoisen sähkömagneettisen kentän/häiriösignaalin vaikutuksen siihen ja estää häiritsevän sähkömagneettisen kentän/signaalin leviämisen ulospäin. USB-differentiaaliparin korkeataajuussignaalin testaus voidaan verrata koaksiaaliseen, differentiaaliparin USB4-kaapeliin, joka on tulossa.
Julkaisun aika: 16. elokuuta 2022
