Универсальная последовательная шина (USB) — пожалуй, один из самых универсальных интерфейсов в мире. Изначально её разработали Intel и Microsoft, и она отличается максимально удобным подключением и использованием без дополнительных настроек. С момента появления интерфейса USB в 1994 году, после 26 лет развития, через USB 1.0/1.1, USB 2.0, USB 3.x, наконец, развилась до нынешнего USB 4; скорость передачи данных также увеличилась с 1,5 Мбит/с до последних 40 Гбит/с. В настоящее время не только новые смартфоны в основном поддерживают интерфейс Type-C, но и ноутбуки, цифровые камеры, умные колонки, мобильные источники питания и другие устройства начали использовать интерфейс USB спецификации Type-C, что успешно применяется в автомобильной промышленности. Вместо USB-A, новая модель Tesla Model 3 имеет порты USB-C, а Apple полностью перевела свои MacBook и AirPods Pro на чистые порты USB Type-C для передачи данных и зарядки. Кроме того, в соответствии с требованиями ЕС, Apple также будет использовать интерфейс USB Type-C в будущих iPhone 15, и нет сомнений, что USB4 станет основным интерфейсом на рынке в будущем.
Требования к кабелям USB4
Самое значительное изменение в новом USB4 — это внедрение спецификации протокола Thunderbolt, которую Intel разделила с usb-if. При работе по двум каналам пропускная способность удваивается до 40 Гбит/с, а туннелирование поддерживает множество протоколов передачи данных и отображения. Примерами являются PCI Express и DisplayPort. Кроме того, USB4 сохраняет хорошую совместимость с новым базовым протоколом, будучи обратно совместимым с USB3.2/3.1/3.0/2.0, а также Thunderbolt 3. В результате USB4 стал самым сложным стандартом USB на сегодняшний день, требующим от разработчиков понимания спецификаций USB4, USB3.2, USB2.0, USB Type-C и USB Power Delivery. Кроме того, разработчики должны понимать спецификации PCI Express и DisplayPort, а также технологию защиты контента высокой четкости (HDCP), совместимую с режимом USB4 DisplayPort, а также то, что к кабелям и разъемам, с которыми мы знакомы, предъявляются более высокие требования к электрическим характеристикам готовых изделий из кабелей USB4.
Коаксиальная версия USB4 появилась словно из ниоткуда.
В эпоху USB 3.1 10G многие производители использовали коаксиальную структуру для удовлетворения требований к высокочастотным характеристикам. Коаксиальные кабели ранее не применялись в серии USB, их основные области применения — ноутбуки, мобильные телефоны, GPS, измерительные приборы, технология Bluetooth и т. д. К распространенным типам кабелей относятся медицинские коаксиальные линии, тефлоновые коаксиальные электронные линии, радиочастотные коаксиальные провода и т. д. В условиях рыночных требований к контролю стоимости, в эпоху USB 3.1 многожильные кабели быстро завоевали рынок, но с появлением USB 4 требования к высокочастотной передаче становятся все более жесткими, а высокоскоростная передача требует от проводов высокой помехоустойчивости и стабильности электрических характеристик. Для обеспечения стабильности высокочастотной передачи, основным типом USB 4 по-прежнему остается коаксиальный кабель. Производство и изготовление коаксиальных кабелей — сложный процесс, требующий соответствующего оборудования и отлаженного, стабильного производственного процесса для высокочастотных и высокоскоростных приложений. В процессе производства продукции выбор материалов, параметров процесса и управления процессом, а также электрические параметры, определяемые в специализированных лабораторных условиях, играют ключевую роль. На протяжении всего процесса разработки коаксиальных структур, помимо стоимости материалов и обработки, важны и другие факторы, но развитие рынка всегда вращается вокруг того, как добиться максимальной цены за партию. Парные витые версии всегда оставались в тени исследований и разработок и прорывов в области коаксиальных кабелей.
Как видно из структуры коаксиального кабеля, изнутри наружу расположены следующие элементы: центральный проводник, изоляционный слой, внешний проводящий слой (металлическая сетка), оболочка провода. Коаксиальный кабель представляет собой композитный кабель, состоящий из двух проводников. Центральный провод коаксиального кабеля используется для передачи сигналов. Металлическая экранирующая сетка выполняет две функции: во-первых, обеспечивает токовый контур для сигнала в качестве общего заземления, а во-вторых, подавляет помехи электромагнитного шума, воздействующие на сигнал. Центральный провод и экранирующая сетка находятся между полувспененным полипропиленовым изоляционным слоем; изоляционный слой определяет характеристики передачи кабеля и эффективно защищает средний провод, что и обуславливает высокую стоимость кабеля.
Скоро появится версия с витой парой USB4?
Поскольку электронные схемы работают на более высоких частотах, электрические характеристики электронных компонентов становятся все сложнее контролировать. Когда размер компонента или всей схемы по сравнению с длиной волны рабочей частоты превышает единицу, значение индуктивности и емкости схемы, паразитные эффекты свойств материалов компонентов и т. д., даже при использовании парной структуры, тестирование основных частотных параметров не может соответствовать требованиям заказчиков, а гибкость и диаметр значительно превосходят коаксиальные варианты. Почему нельзя использовать пары USB в больших количествах? В целом, чем выше частота используемого кабеля, тем короче длина волны сигнала и чем меньше шаг сращивания, тем лучше баланс. Однако слишком малый шаг сращивания приводит к низкой производительности и деформации изолированного жильного провода. Шаг пары проводов очень мал, количество скручиваний велико, и скручивающее напряжение в участке сильно концентрируется, что приводит к серьезной деформации и повреждению изоляционного слоя и, в конечном итоге, к искажению электромагнитного поля, влияя на некоторые электрические показатели, такие как значение SRL и затухание. При наличии эксцентриситета изоляции расстояние между проводниками периодически изменяется из-за вращения инерционной однопроводной линии, что приводит к периодическим колебаниям импеданса. Период колебаний относительно велик. В высокочастотной передаче это медленное изменение может быть обнаружено электромагнитными волнами и повлиять на значение коэффициента отражения. Парные версии USB4 нельзя использовать в пакетном режиме.
Не хочу заземляться, но и использовать свой старый коаксиальный кабель тоже не хочется, поэтому люди начали изучать различные способы экранирования USB4 для своих изделий. Самый большой недостаток — это легко перекручивающиеся проводники, и в отличие от параллельной передачи, это позволяет избежать растяжения проводников. Как известно, в настоящее время в высокоскоростных линиях используются SAS, SFP+ и т.д., что достаточно ясно показывает, что их производительность должна быть выше, чем у многожильных кабелей. Важная роль высокочастотных линий передачи данных — передача сигналов данных, но при их использовании могут возникать различные помехи. Давайте подумаем, что произойдет, если эти помехи проникнут во внутренний проводник линии передачи данных и наложатся на исходный передаваемый сигнал. Возможно ли, что это повлияет на исходный передаваемый сигнал или изменит его, вызвав тем самым потерю полезного сигнала или проблемы? Отличительной особенностью слоя алюминиевой фольги является его защитная и экранирующая функция, используемая для уменьшения помех от внешних независимых сигналов при передаче. Основной упаковочный материал и алюминиевая фольга используются для герметизации и экранирования, одностороннее или двухстороннее покрытие на пластиковой пленке, например, композитная фольга Lu:su, которая используется в качестве экрана кабеля. Фольга для кабеля требует меньше масла на поверхности, не имеет отверстий и обладает высокими механическими свойствами. Процесс обмотки заключается в соединении двух изолированных проводов и заземляющего провода вместе с помощью упаковочной машины. Одновременно слой алюминиевой фольги и слой самоклеящейся полиэфирной ленты на внешней оболочке используются для экранирования пары проводов и стабилизации структуры обмотанных проводов. Этот процесс оказывает важное влияние на свойства проводов, включая импеданс, разницу задержек, затухание, поскольку он должен производиться строго в соответствии с требованиями технологии и проходить испытания электрических свойств, чтобы гарантировать соответствие обмотанных проводов требованиям. Конечно, не все линии передачи данных имеют два слоя экранирования. Некоторые кабели имеют несколько слоев, другие — только один слой, а третьи — вообще не имеют слоев. Экранирование — это металлическая перегородка между двумя пространственными областями, предназначенная для контроля индукции и излучения электрических, магнитных и электромагнитных волн из одной области в другую. В частности, проводник окружен экранирующим корпусом, чтобы предотвратить его воздействие на внешнее электромагнитное поле/помехи и предотвратить распространение этих помех наружу. Тестирование высокочастотных сигналов в дифференциальных парах USB можно сравнить с тестированием коаксиальных кабелей; в скором времени появится дифференциальный кабель USB4.
Дата публикации: 16 августа 2022 г.
