CN105745634A - 用于传输usb信号的方法和usb传输系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于传输来自USB信号的三个数据信号的方法，其中：经由第一导线对(32)以差分方式传输第一数据信号，并且经由第二导线对(34)以差分方式传输第二数据信号。将第三数据信号的信号部分作为共模分量经由所述第一导线对进行传输，并且将所述第三数据信号的参考部分作为共模分量经由所述第二导线对进行传输。本发明附加涉及用于执行该方法的USB传输系统和该USB传输系统所用的适配器。

Description

用于传输USB信号的方法和USB传输系统
技术领域
本发明涉及用于传输USB信号的三个数据信号的方法，其中：经由第一导线对以差分方式传输第一数据信号，并且经由第二导线对以差分方式传输第二数据信号。本发明还涉及用于传输USB信号的系统和这种系统所用的适配器。
背景技术
传统的USB2接口(例如，USB2.0接口)具有信号导线对(D+和D-)和电源所用的导线对(GND,VBUS)。数据传输经由信号导线对以对称且双向的方式发生，由此经由该信号导线对的一个导线传输数据信号(“数据部分”)，并且经由另一导线传输相应的反相数据信号(“参考部分”)。为此，针对USB2信号的传输所设计的线缆具有两个捻合屏蔽导线作为信号导线对，以尽可能避免传输干扰。信号接收器形成经由信号导线对以差分方式(即，以对称方式)所传输的数据信号的差分电压，使得消除了对信号导线对的这两个导线产生均等影响的干扰。
在极其广泛的技术应用中，需要USB信号的传输。例如，在车辆的后部可能需要USB插口以使得能够插入USB装置，由此需要将USB线缆从前方向后方穿过车辆。在各种位置(办公室、公共设施、运输工具等)中也可能需要USB插口或USB连接件以供USB装置的连接用，由此需要为此铺设USB线缆。如上所述，两个导线对对于传统的USB2信号(数据信号和电源电压)的传输而言就足够了，由此以前铺设了四线线缆以供USB信号的传输用。
几年前，引入了USB3标准。USB3接口(例如，USB3.0接口)除上述的连接件(D+,D-,GND,VBUS)外，还具有至少两个附加信号导线对(SSTX+和SSTX-；SSRX+和SSRX-)。经由这两个信号导线对各自向USB接口传输或馈送差分数据信号。总的来说，这样使得相比传统的USB2标准能够实现更高的数据率。
结果，为了实现USB3兼容性，需要主机和所连接的装置上的新的插头连接器、以及附加的数据传输线缆。为此，铺设又一四线线缆以供USB3信号的传输用，由此然后经由两个四线线缆传输上述的八个USB3连接(D+、D-、GND、VBUS、SSTX+和SSTX-、SSRX+和SSRX-)。总共三个数据信号如此在各情况下均经由一个导线对(D+和D-；SSTX+和SSTX-；SSRX+和SSRX-)以差分方式进行传输。然而，附加线缆的铺设涉及极大的费用。
可选地，代替两个四线线缆，当然还可以铺设单个标准USB3线缆。然而，铺设这种线缆涉及甚至更大的费用，这是因为需要移除旧的USB2线缆并且新的USB3线缆昂贵。
发明内容
有鉴于所述问题，本发明的目的是提供相比传统方法需要较少费用和较少改变的、用于传输具有至少三个数据信号的USB信号的方法。
通过以下基本解决了该问题：将第三数据信号的信号部分作为共模分量经由第一导线对进行传输，并且将第三数据信号的参考部分作为共模分量经由第二导线对进行传输。
换句话说，要以差分方式进行传输的三个数据信号不是经由严格来说必需的三个导线对、而是经由仅两个导线对来进行传输的。在多个技术应用中(例如，在车辆、办公室等中)已铺设了具有两个线对的线缆，使得无需铺设附加线缆以供三个USB3数据信号的期望传输用。
在不存在需要铺设附加线缆的情况下，通常可以利用其它方式更简单地馈送为了向USB装置供给电压而附加需要的电源信号。例如，在机动车中，在可容易使用的各种位置中，在任何情况下均可利用直流(d.c.)电压电源。此外，不同于数据信号的传输所使用的导线对，电源电压的传输所使用的导线对不需要完全屏蔽，也不需要对称，更不需要捻合等，使得在需要的情况下，可以铺设用于提供电源电压的附加线缆。
本发明基于源自于模拟电话领域的如下知识：在特定条件下，可以经由仅两个导线对来传输三个差分数据信号，即经由所谓的幻象电路来传输第三数据信号的情况。为此，将第三数据信号的与该第三数据信号的反相参考部分相对应的信号部分、或者其多倍或一部分(优选为该信号部分的一半即D+/2)作为共模分量经由第一信号导线对进行传输，并且将第三数据信号的与反相信号部分相对应的参考部分、或者其多倍或一部分(优选为该参考部分的一半即D-/2)作为共模分量经由第二信号导线对进行传输。
换句话说，在传输之前，可以将第三数据信号的信号部分作为共模分量添加至要以差分方式进行传输的第一数据信号，并且可以将第三数据信号的参考部分作为共模分量添加至要以差分方式进行传输的第二数据信号。
在传输之后，可以根据经由第一导线对所传输的信号的共模分量和经由第二导线对所传输的信号的共模分量组合得到第三数据信号作为差分数据信号。第一数据信号和第二数据信号不受经由相同导线的第三数据信号的传输影响，这是因为第一数据信号和第二数据信号的信号部分和参考部分在各情况下均(以共模)偏移了相同量，使得表示实际数据流的差保持不变。根据模拟电话领域基本已知该原理，并且在这方面，参考相关技术文献。
鉴于易受干扰性低，由此已被证明对于在添加共模分量的步骤之前以对称形式所要馈送的第一数据信号、第二数据信号和/或第三数据信号而言是有利的。换句话说，以差分方式馈送的USB信号的信号部分在各情况下均与反相参考部分相对应。特别地，经由第一信号导线对以共模所传输的第三数据信号的信号部分在大小上与经由第二信号导线对以共模所传输的第三数据信号的参考部分相对应，然而由此信号部分和参考部分具有相反符号。
为了保护数据信号抵抗经由电磁干扰场的外部干扰，可以利用共用屏蔽件来对两个导线对进行屏蔽。
在以星绞配置(优选采用HSD(高速数据)传输系统的形式)铺设两个导线对的情况下，可以进行干扰特别低的传输。HSD传输系统携载线缆中的两个对称导线对。这两个对被共用屏蔽件包围。独立绝缘的导线由此以星绞形式配置，并且可以捻合到一起。以星绞形式彼此相反地配置的两个导线形成共用差分线对。
这意味着在各个第二对的虚拟接地面中始终存在对称对。这样使得可以实现高的串扰衰减，同时保持线缆尽可能紧凑。
根据本发明的方法特别适合USB3信号(例如，USB3.0信号)的传输，由此从主机经由第一导线对向装置传输USB3数据(SSTX+和SSTX-)、并且从装置经由第二导线对向主机传输USB3数据(SSRX+和SSRX-)，同时经由幻象电路传输D+/D-信号。
本发明的另一方面涉及一种USB信号传输系统，其具有两个适配器，所述适配器经由两个发送器信号导线对连接到一起，由此所述适配器各自具有USB接口以供USB信号的输入/输出用。
根据本发明，各情况下的USB接口均可以具有至少三对USB信号导线，其中这三对USB信号导线在各情况下均是针对USB数据信号的差分传输所配置的。这三对USB信号导线经由幻象电路与两个发送器信号导线对耦合。
换句话说，适配器在各情况下具有如下的部件：用于向经由第一USB信号导线对所馈送的差分信号添加第一共模分量以生成第一差分传输信号、从而经由第一发送器信号导线对进行传输的部件；以及用于向经由第二USB信号导线对所馈送的差分信号添加第二共模分量以生成第二差分传输信号、从而经由第二发送器信号导线对进行传输的部件，由此第一共模分量与经由第三USB信号导线对所馈送的差分信号的信号部分、或者其多倍或一部分相对应，并且第二共模分量与经由第三USB信号导线对所馈送的差分信号的参考部分、或者其多倍或一部分相对应。
因而，根据本发明的USB信号传输系统在各情况下均具有三个导线对作为输入和输出，其中各导线对是针对差分USB数据信号的传输所配置的，而传输本身经由仅两个导线对发生。第三USB数据信号通过经由幻象电路所提供的第三导线对进行传输。
优选地，第一USB信号导线对是SSTX信号导线对(SSTX+,SSTX-)，第二USB信号导线对是SSRX信号导线对(SSRX+,SSRX-)，并且第三USB信号导线对是D信号导线对(D+,D-)。经由D信号导线对所传输的数据信号如此作为虚拟信号进行传输。
在实现低干扰传输方面，已被证明为对于要以星绞形式配置并且优选被设计为HSD连接的两个发送器信号导线对而言是有利的。为此，两个适配器有利地经由星绞线缆有利地相连接。可选地或另外，可以在经由发送器信号导线彼此连接的适配器输出处配置采用HSD插口或相似形式的HSD插头连接器，其中所述插头连接器经由星绞线缆或者具有至少两个导线对的其它线缆彼此连接。
另外，电源导线对可以在两个适配器之间延伸，其中该电源导线对可以与USB接口的电源导线对相连接。
使USB3连接插口和/或USB3连接线缆连接至USB接口中的至少一个USB接口，这是实用的。
可以经由从第一USB接口开始、经由适配器和发送器信号导线对延伸、直到第二USB接口为止的电磁屏蔽件来降低要传输的USB数据信号的易受干扰性，以实现数据信号的电磁屏蔽。
在传统的幻象电路中，经常存在线圈，其中在这些线圈中，通过将幻象电流(第三差分数据信号的信号部分和参考部分)馈送到次级中心，来向第一差分数据信号和第二差分数据信号添加共模分量。结果，磁效应彼此抵消，并且幻象电流不会在线圈的初级侧感应出任何电压。
可选地，可以经由适配器中的数字开关元件(例如，经由各个适配器中所配置的、包含诸如数字相加和/或相减等的逻辑开关元件的电路板)来实现幻象电路。
根据本发明的特别重要方面，提供一种适配器，其用于USB信号传输系统，所述适配器具有USB信号的输入/输出所用的第一接口以及第二接口(特别是HSD接口)。所述第一接口是以USB接口的形式设计成的，所述USB接口具有三个USB信号导线对，其中各对是针对USB数据信号的差分传输所配置的；并且所述第二接口具有两个发送器信号导线对，其中各对是针对数据信号的差分传输所配置的。根据本发明，所述适配器配备有：用于向经由第一USB信号导线对所要馈送的差分信号添加第一共模分量以生成第一差分传输信号、从而经由第一发送器信号导线对进行传输的部件；以及用于向经由第二USB信号导线对所要馈送的差分信号添加第二共模分量以生成第二差分传输信号、从而经由第二发送器信号导线对进行传输的部件，由此所述第一共模分量与经由第三USB信号导线对所要馈送的差分信号的信号部分、或者该信号部分的多倍或一部分相对应，并且所述第二共模分量与经由所述第三USB信号导线对所要馈送的差分信号的参考部分、或者该参考部分的多倍或一部分相对应。
在特别优选的实施例中，第二接口是HSD接口。USB3插口(例如，USB3.0插口)和/或USB3线缆(例如，USB3.0线缆)可以连接至USB接口。HSD插口、HSD插头连接器和/或HSD线缆可以连接至第二接口。
附图说明
在以下说明中，参考附图来说明本发明，其中：
图1示出适合执行根据本发明的方法的、根据本发明的USB传输系统的示意电路方案。
具体实施方式
根据本发明，USB传输系统100总共具有两个适配器10和20。各适配器10、20的一侧具有传统的USB3接口12、22(例如，USB3.0接口)，并且其另一侧具有第二接口14、24，其中该第二接口14、24具有两个信号导线对32、34以供数据信号的差分传输用。
第二接口在各情况下例如均可以是HSD接口。
两个适配器10、20的第二接口14、24可以经由线缆相连接，其中在该线缆中，两个(在各情况下均为捻合式)导线对例如以星绞配置的形式延伸。这两个导线对在各情况下均可被屏蔽。优选地，具有两个导线对32、34的线缆具有外导线作为共用屏蔽件。
两个适配器10、20经由承载电源电压(例如，5V的直流电压)的另一导线对36相连接。然而，该另一导线对36对于本发明而言不是必须的，并且例如经由在任何情况下均存在于机动车中的电压电源，可以从外部向一个或两个USB接口12、24馈送电源电压36'。
两个USB接口各自具有通常的USB3连接：SSTX+、SSTX-；SSRX+、SSRX-；D+、D-。可以向连接对SSTX+、SSTX-馈送第一差分数据信号，其中该第一差分数据信号的信号部分在以下被称为SSTX+，并且其参考部分在以下被称为SSTX-。USB信号通常是以对称方式进行传输的。(SSTX+)–(SSTX-)的差表示实际数据流。如果信号SSTX+和SSTX-的电压的绝对值由于干扰而偏移了相同量，则这些值之间的差保持不变。
可以向连接对SSRX+、SSRX-馈送第二差分数据信号，其中该第二差分数据信号的信号部分在以下被称为SSRX+，并且其参考部分在以下被称为SSRX-。
可以向连接对D+、D-馈送第三差分数据信号，其中该第三差分数据信号的信号部分在以下被称为D+，并且其参考部分在以下被称为D-。
将第三差分信号的信号部分D+作为共模分量经由发送器信号对32进行传输。这意味着信号(SSTX+)+(D+/2)和(SSTX-)+(D+/2)是经由第一信号对32进行传输的。这些信号之间的差产生(SSTX+)-(SSTX-)，并由此产生第一数据信号的数据流。由于(SSTX+)＝-(SSTX-)，因此这些信号的总和产生(SSTX+)+(SSTX-)+(D+)＝(D+)。
将第三差分信号的参考部分D-作为共模分量经由发送器信号对34进行传输。这意味着信号(SSRX+)+(D-/2)和(SSRX-)+(D-/2)是经由第二信号对34进行传输的。这些信号之间的差产生(SSRX+)-(SSRX-)，并由此产生第二数据信号的数据流。由于(SSRX+)＝-(SSRX-)，因此这些信号的总和产生(SSRX+)+(SSRX-)+(D-)＝(D-)。
在减法(D+)-(D-)中消除了这两个发送器信号对32、34上的、用作共模信号的可能干扰源。
根据本发明，如此可以经由仅两个导线对来以差分方式传输三个USB数据信号。通过将根据本发明的适配器用于在多个技术应用中已铺设的具有两个导线对的线缆的两端，如此可以在无需铺设附加线缆的情况下传输USB3信号。
根据本发明的USB传输系统中所使用的根据本发明的适配器可以采用具有诸如相加和/或相减等的数字开关元件的电路板的形式来实现，由此USB3插口可以耦合至适配器的USB接口，并且HSD插头连接器和/或星绞线缆可以耦合至适配器的第二接口。

Claims (17)

1.一种用于传输来自USB信号的三个数据信号的方法，其中：经由第一导线对(32)以差分方式传输第一数据信号，并且经由第二导线对(34)以差分方式传输第二数据信号，其特征在于，将第三数据信号的信号部分(D+)作为共模分量经由所述第一导线对(32)进行传输，并且将所述第三数据信号的参考部分(D-)作为共模分量经由所述第二导线对(34)进行传输。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在传输之后，根据经由所述第一导线对(32)所传输的信号的共模分量和经由所述第二导线对(34)所传输的信号的共模分量能够组合得到所述第三数据信号，作为差分数据信号(D+',D-')。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，在传输之前，将所述第三数据信号的信号部分作为共模分量添加至要以差分方式进行传输的所述第一数据信号，并且将所述第三数据信号的参考部分作为共模分量添加至要以差分方式进行传输的所述第二数据信号。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，以共模所传输的所述第三数据信号的信号部分在大小上与以共模所传输的所述第三数据信号的参考部分相对应，但具有相反的符号。
5.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，所述第一导线对和所述第二导线对(32,34)被共用屏蔽件屏蔽。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述第一导线对和所述第二导线对(32,34)是以星绞配置、优选以高速数据传输系统即HSD传输系统的形式铺设的。
7.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，传输USB3信号，其中：从主机经由所述第一导线对(32)向装置以差分方式传输USB3数据(SSTX+和SSTX-)、并且从装置经由所述第二导线对(34)向主机以差分方式传输USB3数据(SSRX+和SSRX-)，而经由幻象电路传输D+/D-信号。
8.一种USB信号传输系统(100)，其具有两个适配器(10,20)，所述适配器(10,20)经由两个发送器信号导线对(32,34)连接到一起，其中所述适配器(10,20)各自具有USB接口(12,22)以供USB信号的输入/输出用，其特征在于，所述USB接口(12,22)在各情况下均具有三个USB信号导线对(SSTX+,SSTX-；SSRX+,SSRX-；D+,D-)以供USB数据信号的差分传输用，其中所述三个USB信号导线对经由幻象电路与所述两个发送器信号导线对(32,34)耦合。
9.根据权利要求8所述的USB信号传输系统，其特征在于，第一USB信号导线对是SSTX信号导线对(SSTX+,SSTX-)，第二USB信号导线对是SSRX信号导线对(SSRX+,SSRX-)，并且第三USB信号导线对是D信号导线对(D+,D-)。
10.根据权利要求8或9所述的USB信号传输系统，其特征在于，所述两个发送器信号导线对(32,34)以星绞形式配置在线缆中，并且优选是采用HSD连接的形式设计的。
11.根据权利要求8至10中任一项所述的USB信号传输系统，其特征在于，还包括电源导线对(36)，所述电源导线对在所述两个适配器(10,20)之间延伸，其中所述电源导线对(36)与所述USB接口(10,20)的电源导线对(VBUS,GND)相连接。
12.根据权利要求8至11中任一项所述的USB信号传输系统，其特征在于，还包括USB3连接插口和/或USB3连接线缆，所述USB3连接插口和/或所述USB3连接线缆连接至所述USB接口(12,22)中的至少一个USB接口。
13.根据权利要求8至12中任一项所述的USB信号传输系统，其特征在于，还包括屏蔽件，所述屏蔽件从第一USB接口(12)开始、经由所述适配器(10,20)和所述发送器信号导线对(32,34)延伸、直至第二USB接口(22)为止，以供数据信号的电磁屏蔽用。
14.根据权利要求8至13中任一项所述的USB信号传输系统，其特征在于，还包括电路板，所述电路板配置在所述适配器(10,20)各自中，并且包含诸如数字相加和/或数字相减的逻辑开关元件。
15.一种适配器(10)，其特别用于根据权利要求8至14中任一项所述的USB信号传输系统(100)，所述适配器(10)具有第一接口以及第二接口(14)，所述第一接口采用USB接口(12)的形式，所述USB接口(12)具有三个USB信号导线对(SSTX+,SSTX-；SSRX+,SSRX-；D+,D-)，其中各USB信号导线对是针对USB数据信号的差分传输所配置的，所述第二接口(14)具有两个发送器信号导线对(32,34)，其中各发送器信号导线对是针对数据信号的差分传输所配置的，其特征在于，还包括：用于向经由第一USB信号导线对(SSTX+,SSTX-)所要馈送的差分USB数据信号添加第一共模分量以生成第一差分传输信号、从而经由第一发送器信号导线对(32)进行传输的部件；以及用于向经由第二USB信号导线对(SSRX+,SSRX-)所要馈送的差分USB数据信号添加第二共模分量以生成第二差分传输信号、从而经由第二发送器信号导线对(34)进行传输的部件，其中，所述第一共模分量与经由第三USB信号导线对(D+,D-)所要馈送的差分USB数据信号的信号部分(D+)、或者该信号部分(D+)的多倍或一部分相对应，并且所述第二共模分量与经由所述第三USB信号导线对(D+,D-)所要馈送的差分USB数据信号的参考部分(D-)、或者该参考部分(D-)的多倍或一部分相对应。
16.根据权利要求15所述的适配器，其特征在于，所述第二接口(14)是HSD接口。
17.根据权利要求15或16所述的适配器，其特征在于，还包括：USB3插口和/或USB3线缆，其连接至所述USB接口(12)；以及HSD插口或HSD线缆，其连接至所述第二接口(14)。
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