TW201520774A - Usb傳輸訊號之方法及其系統 - Google Patents

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TW201520774A
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usb
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conductor
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TW103140335A
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Stephan Kunz
Thomas Muller
Gunnar Armbrecht
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Rosenberger Hochfrequenztech
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Abstract

本發明係在提供一種USB傳輸訊號之方法及其系統，主要係在傳輸一USB訊號中三個資料訊號之方法，其中第一資料訊號係經由一第一導體對(32)傳輸，而第二資料訊號係經由一第二導體對(34)傳輸。第三資料訊號之訊號部係作為共模訊號經由第一導體對(32)傳輸，且第三資料訊號之參考部係作為共模訊號經由第二導體對(34)傳輸。此外，本發明係一種用於執行本發明方法之USB傳輸訊號系統，以及本系統適用之轉接器。

Description

USB傳輸訊號之方法及其系統
本發明係在提供一種USB傳輸訊號之方法及其系統，特別係用於傳輸一USB訊號中三個資料訊號之方法，其中之第一資料訊號經由一第一導體對差分傳輸，而第二資料訊號則由一第二導體對分開傳輸；此外，亦為一種用於用於執行本發明方法之USB傳輸訊號系統，以及本系統適用之轉接器。
傳統之USB2介面(例如USB2.0介面)具有一訊號導體對(D+、D-)，以及一對用於供應電源的導體對(GND、VBUS)。經由訊號導體對之資料傳輸係對稱且雙向，其中，資料訊號(訊號部)係經由訊號導體對之一導體傳輸，而其相對之反向資料訊號(參考部)係經由訊號導體對之另一導體傳輸。為此，一用於傳輸USB2訊號之電纜需具有絞織且受屏蔽之導線，而形成一導體對，以盡量避免傳輸干擾。訊號接收器產生出經由訊號導體對差分(也就是對稱)傳輸之資料訊號之電壓差，使得兩訊號導體對之兩導體上作用之干擾可一同消除。
在許多不同的科技應用上均需使用到USB訊號傳輸，例如，可在車輛後部安裝一USB插座以插接一USB端子，使得一USB導線可由前端穿過車輛到達後端；也可以在其他不同地點(辦公室、公共場所、運輸工具等)安裝USB插座或是USB接頭，以用於插接另一USB端子，為此需鋪設USB導線。如上所言，兩導線對(資料訊號與電源供應)足夠用於傳輸USB2訊號，以至於事先須鋪設四軸電纜以供傳輸USB訊號。
USB3標準自數年前開始導入市場。USB3介面(例如USB3.0介面)除了上述之連接外(D+、D-、GND、VBUS)，尚至少具有兩個額外的訊號導體對(SSTX+與SSTX-、SSRX+與SSRX-)；經由每個導體對可差分資料訊號，且輸入USB介面上，藉此整體可較傳統USB2標準提升資料傳輸速度。
所以，針對USB3的相容性，在主機端、連插接之端子上與額外的資料傳輸導體上需要新式的插接頭。為滿足此一需求，會鋪設另一四軸電纜以供USB3訊號傳輸，其中，上述之八個USB3連線(D+、D-、GND、VBUS、SSTX+、SSTX-、SSRX+以及SSRX-)可經由兩個四軸電纜傳輸，此時共有三個資料訊號分別經由一導體對(D+與D-；SSTX+與SSTX-；SSRX+與SSRX-)差分傳輸，然而，鋪設額外的電纜卻會造成成本提高。
另一種方式也可以使用一標準USB3電纜來取代兩條四軸電纜。但此時，因為舊型的USB2電纜需移除，且USB3電纜價格更高，故此舉會更加提高成本；緣此，本發明人有鑑於習知存在有如上述之缺失，乃潛心研究、改良，遂得以首創出本發明。
本發明之主要目的，係在提供一種用於傳輸至少具有三個資料訊號之USB訊號之方法，且較傳統方法更為廉價與便利。
本發明之主要特徵，係在此一功能可利用下述方法達成：第三資料訊號之訊號部(D+)係作為共模訊號經由第一導體對(32)傳輸，且第三資料訊號之參考部(D-)係作為共模訊號經由第二導體對(34)傳輸。
換句話說，差分傳輸的三個訊號不是經由原本需要的三個導體對傳輸，而是經由兩個；由於在大多數的應用中(例如車輛、辦公室等)均已鋪設有兩條軸線對，故對傳輸三個USB3訊號來說無需額外鋪設電纜。
USB終端上額外所需的電源供應大多可利用另一方法簡易提供，而不需額外鋪設導線，因此，例如於車輛上，無論於哪個位置上均具有直流電源，可直接擷取利用。更進一步，與用於傳輸資料訊號的導體對不同，用於傳輸供應電源之導體對並不需注意均勻對稱的絞織結構，以具有完全屏蔽，至於若有必要，可額外鋪設一專用於供應電源之導線。
本發明技術可回朔至源自類比語音通信的知識，也就是：在特定條件下，三個差分資料訊號可僅經由兩導體對傳輸，亦即，資料訊號中的第三資料訊號係經由所謂幻通電路傳輸。為此，第三資料訊號中，符合第三資料訊號反向參考訊號的訊號段，或是該訊號的倍數或一部分(優先為半訊號段D+/2)當作共模訊號，經由第一導體對傳輸，並將第三資料訊號與反向訊號相符的參考訊號，或是該訊號的倍數或一部分(優先為半訊號段D-/2)當作共模訊號，經由第二導體對傳輸。
換句話說，在傳輸之前，可將作為共模訊號之第三資料訊號之部分訊號疊加至差分傳輸之第一資料訊號上，並將作為共模訊號之第三資料訊號之參考訊號疊加至分開傳輸之第二資料訊號上。
在完成傳輸之後，可將經由第一導體對傳輸的訊號之共模訊號中，以及經由第二導體對傳輸的訊號之共模訊號中，第三資料訊號兩部分差分訊號進行加總。由於第一與第二資料訊號之訊號部與參考部分別有等量平移(共模信號)，故第一與第二資料訊號在與第三資料訊號於同一線路上共同傳輸的過程中不會受到影響，使得可重現原始資料流的差距保持不變。此一原理基本上於類比通信領域內為習知，並可於相關文獻中查詢。
同時，為了降低對干擾的敏感度，第一、第二資料訊號或是第三資料訊號在共模訊號加總步驟執行之前，會先轉成對稱形式再輸入；換句話說，差分輸入之USB訊號之各訊號段分別符合反向參考訊號，特別是，經由第一導體對以共模形式傳輸的第三資料訊號之訊號部，在數值上與經由第二導體對以共模形式傳輸的第三資料訊號之參考部訊號相同，同時，訊號部與參考部訊號具有相反的正負號。
兩個導體對可共同用一屏蔽裝置加以屏蔽，以防止外界電磁場對資料訊號產生干擾。
當兩個導體對排列為四芒星構造時，可大幅降低傳輸時受到的干擾，尤其是在HSD傳輸系統內。該HSD傳輸系統於一電纜內搭載有兩個對稱的導線，此兩對係由一共同的屏蔽層所包覆，其中，個別絕緣的導線係為四芒星排列，並可共同絞織在一起，四芒星中兩個位於對角的導線共同構成一差分線對。
如此，一對稱之導線對永遠位於個別導線對之虛擬測量平面上，此舉可在使用高度緊密結構的導線時實現高度的串擾消減。
本發明方法特別適用於傳輸一USB3訊號，例如一USB3.0訊號，其中，第一導體對將USB3資料由主機傳輸至終端裝置(SSTX+、SSTX-)，且第二導體對將USB3資料由終端裝置(SSTX+、SSTX-)傳輸至主機，而D+/D-訊號則是由一幻通電路傳輸。
由另一角度來看，本發明係一種具有兩個轉接器之USB訊號傳輸系統，此二轉接器係利用兩對載波訊號導體相互連接，其中，每個轉接器均具有一USB介面以供USB訊號輸入與輸出。
依據本發明，USB介面分別具有至少三對USB訊號導體，其分別可用於USB資料訊號的差分傳輸，此三對USB訊號導體係經由一幻通電路與上述兩對載波訊號導體接合。
也就是說，該轉接器分別具有一可將第一共模訊號插入經由第一USB訊號導體對輸入之差分訊號的機制，以便產生一個經由第一導體對傳輸之第一差分傳輸訊號，以及一可將第二共模訊號插入經由第二USB訊號導體對輸入之差分訊號的機制，以便產生一個經由第二導體對傳輸之第二差分傳輸訊號；其中，第一共模訊號值與經由第三USB訊號導體對輸入之部分訊號值、或是其一部分或是倍數相同，且第二共模訊號值與經由第三USB訊號導體對輸入之差分訊號之參考訊號、或是其一部分或是其倍數相同。
因此，本發明之USB傳輸系統中分別有三個導體對作為輸入與輸出端，每個導體對均係用於傳輸差分USB資料訊號，然而僅用其中兩個導體對進行傳輸。第三USB資料訊號係經由一幻通電路所形成之第三導體對傳輸。
優先者為，第一USB訊號導體對為SSTX訊號導體對(SSTX+與SSTX-)，第二USB訊號導體對則為SSRX訊號導體對(SSRX+與SSRX-)，且第三USB訊號導體對為D訊號導體對(D+與D-)，如此，經由D訊號導體對所傳輸的資料訊號即為虛擬訊號。
將兩個訊號傳輸導體對排列為四芒星狀，且優先由HSD連線構成，具有避免傳輸受到干擾的優點；為此，可優先利用四芒星電纜連接兩個轉接器。在兩個經由訊號傳輸導體相互連接的轉接器輸出端上，HSD插接器也可以HSD插座或類似形式取代，或是額外將HSD插接器製成HSD插座或類似形式，這些插接器係利用具有至少兩個導體對之電纜或是四芒星電纜相互連接。
在兩轉接器之間，可額外鋪設一電源供應導線對，其在必要時與USB介面上之電源供應導體對相連接。
為了便利起見，在至少一個USB介面上連接有一USB3連接插座或是一USB3電纜。
利用一由第一USB介面到第二USB介面穿過兩個轉接器與載波訊號導體之屏蔽層，可將USB資料訊號屏障外界電磁場作用，達到低干擾敏感度。
在傳統幻通電路上，經常會具有線圈，在此線圈內，於二級中心上輸入幻通電流(第三差分資料訊號之訊號部與參考部訊號)，可將共模訊號疊加至第一與第二差分資料訊號上，藉此可消除磁場作用，且幻通電流在線圈的一級側面上不會感應產生電壓。
另一種方法為，可利用數位化電路元件在轉接器內部組成幻通電路，例如利用一安裝於每個轉接器內部具有邏輯電路元件的電路板，猶如一數位加法器或是減法器。
依據本發明一個相當重要的觀點，一轉接器用於USB訊號傳輸系統中時，需具有一用於輸出/輸入USB訊號之第一介面，以及一第二介面，特別是一HSD介面。該第一介面之構造為一具有三個USB訊號導體對的USB介面形式，其中每一對係用於傳輸USB資料訊號，且第二介面具有第一導體對、第二導體對，其中每一對係用於傳輸資料訊號。本發明中的轉接器具有可將第一共模訊號插入經由第一USB訊號導體對輸入之差分訊號中的機制，以產生一個經由第一導體對傳輸之第一差分傳輸訊號，以及一可將第二共模訊號插入經由第二USB訊號導體對輸入之差分訊號的機制，以便產生一個經由第二導體對傳輸之第二差分傳輸訊號；其中，第一共模訊號值與經由第三USB訊號導體對輸入之部分訊號值、或是其一部分或是倍數相同，且第二共模訊號值與經由第三USB訊號導體對輸入之差分訊號之參考訊號、或是其一部分或是其倍數相同。
在本發明特別優先的實施例中，第二介面為一HSD介面，在USB介面上可連接一USB3插座(例如一USB3.0插座)或一USB3電纜(例如一USB3.0電纜)，於第二介面上則可連接一HSD插座、一HSD插頭或一HSD電纜。
有關本發明為達上述之使用目的與功效，所採用之技術手段，茲舉出較佳可行之實施例，並配合圖式所示，詳述如下：
本發明之實施例，請參閱第一圖所示，主要係在此USB傳輸系統100一共具有兩個轉接器10、20，每個轉接器10、20在一邊上均具有依傳統USB介面12、22(例如一USB3.0介面)，且於另一邊上具有一第二介面14、24，該第二介面14、24具有兩個用於差分傳輸資料訊號之第一導體對32、第二導體對34。
該第二介面14、24可為一HSD介面。
兩個轉接器10、20之第二介面14、24可利用一電纜相互連接，且此電纜係具有兩條分別相互絞織的導線對，構成例如一四芒星結構；同時，此二導線對可分別受到屏蔽，優先者為，該具有第一導體對32、第二導體對34之電纜具有一可作為屏蔽層之外導線。
此兩個轉接器10、20可藉由另一電源供應導線對36相互連接，在此為電源供應之用(例如5V直流電)，但是此一額外之電源供應導線對36並非本發明重點，且一電源供應36’可於一個或兩個USB介面12、22上，也可由外部輸入，例如經由一通常會位於車輛內部的電源供應裝置。
每個USB介面12、22均具有常見的USB3接頭SSTX+、SSTX-、SSRX+、SSRX-、D+與D-，一個第一差分資料訊號可傳輸至接頭組SSTX+、SSTX-，其訊號部接著會以SSTX+表示，而其參考部分接著會以SSTX-來表示，SSTX+－SSTX-之差值代表原始的訊號真值。當訊號SSTX+與SSTX-電壓之絕對值因干擾而平移某一相同數值，則其差值依然保持不變。
一個第二差分資料訊號可傳輸至接頭組SSRX+、SSRX-，其訊號部接下來以SSRX+表示，而其參考部分接下來則以SSRX-來表示。
一個第三差分資料訊號可傳輸至接頭組D+、D-，其訊號部接下來以D+表示，而其參考部分接下來則以D-來表示。
第三差分訊號之訊號部D+係當作共模訊號經由第一導體對32所傳輸，藉此，可經由第一導體對32傳輸(SSTX+)＋(D+/2)與(SSTX-)＋(D+/2)兩訊號，此二訊號之差值為(SSTX+)－(SSTX-)，且可求得第一資料訊號之資訊電流；因為(SSTX+)＝－(SSTX-)，這些訊號的總合為(SSTX+)＋(SSTX-)＋(D+)＝(D+)。
第三差分訊號之參考部D-係作為共模訊號經由第二導體對34所傳輸，藉此，可經由第二導體對34傳輸(SSRX+)＋(D-/2)與(SSRX-)＋(D-/2)兩訊號，此二訊號之差值為(SSRX+)－(SSRX-)，並可求得第二資料訊號之資訊電流；因為(SSRX+)＝－(SSRX-)，這些訊號的總合為(SSRX+)＋(SSRX-)＋(D-)＝(D-)。
可能以共模訊號形式作用於第一導體對32、第二導體對34上的干擾，可在求取差值(D+)－(D-)時消去。
因此，依據本發明，可僅使用兩個導體對便可差分傳輸三個USB資料訊號，將本發明之轉接器10、20應用於已經被大量使用之具有兩導線對之電纜兩端上，如此，可傳輸USB3訊號，而無須額外鋪設電纜。
用於本發明USB傳輸系統100中之轉接器10、20，可製成一電路板形式，其具有例如加法器或是減法器之數位電路元件，其中，轉接器10、20之USB介面12、22上可接出一USB3插座，而在轉接器10、20之第二介面14、24上則可接出一HSD插接器，或是一四芒星電纜。
綜上所述，本發明確實已達到所預期之使用目的與功效，且更較習知者為之理想、實用，惟，上述實施例僅係針對本發明之較佳實施例進行具體說明而已，該實施例並非用以限定本發明之申請專利範圍，舉凡其它未脫離本發明所揭示之技術手段下所完成之均等變化與修飾，均應包含於本發明所涵蓋之申請專利範圍中。
100‧‧‧USB傳輸系統
10、20‧‧‧轉接器
12、22‧‧‧USB介面
14、24‧‧‧第二介面
32‧‧‧第一導體對
34‧‧‧第二導體對
36‧‧‧電源供應導線對
36’‧‧‧電源供應
第一圖所示係為本發明實施例之電路圖。
100‧‧‧USB傳輸系統
10、20‧‧‧轉接器
12、22‧‧‧USB介面
14、24‧‧‧第二介面
32‧‧‧第一導體對
34‧‧‧第二導體對
36‧‧‧電源供應導線對
36’‧‧‧電源供應

Claims (17)

  1. 一種USB傳輸訊號之方法，主要係在用於傳輸一USB訊號中三個資料訊號之方法，其中第一資料訊號係經由一第一導體對(32)傳輸，而第二資料訊號係經由一第二導體對(34)傳輸，其特徵在於：第三資料訊號之訊號部(D+)係作為共模訊號經由第一導體對(32)傳輸，且第三資料訊號之參考部(D-)係作為共模訊號經由第二導體對(34)傳輸。
  2. 如申請專利範圍第1項所述USB傳輸訊號之方法，其中，在傳輸完成後，第三資料訊號可由經過第一導體對(32)傳輸的共模訊號，以及經過第二導體對(34)傳輸的共模訊號加以組合還原。
  3. 如申請專利範圍第1或2項所述USB傳輸訊號之方法，其中，第三資料訊號之訊號部(D+)在傳輸之前以共模訊號形式疊加至待差分傳輸之第一資料訊號上，且第三資料訊號之參考部(D-)以共模訊號形式疊加至待差分傳輸之第二資料訊號上。
  4. 如申請專利範圍第3項所述USB傳輸訊號之方法，其中，第三資料訊號以共模方式傳輸之訊號部，其數值與第三資料訊號以共模方式傳輸之參考部相同，但正負號不同。
  5. 如申請專利範圍第1項所述USB傳輸訊號之方法，其中，第一導體對(32)及第二導體對(34)係經由一共同之屏蔽層所屏障。
  6. 如申請專利範圍第5項所述USB傳輸訊號之方法，其中，第一導體對(32)及第二導體對(34)係為四芒星排列構造，優先為一HSD傳輸系統。
  7. 如申請專利範圍第1項所述USB傳輸訊號之方法，其中，係可傳輸一USB3訊號，USB3訊號資料經過第一導體對(32)由主機差分傳輸至終端設備(SSTX+、SSTX-)，且經過第二導體對(34)由終端設備差分傳輸至主機(SSRX+、SSRX-)，而第三資料訊號之訊號部(D+)或第三資料訊號之參考部(D-)則經過一幻通電路所傳輸。
  8. 一種USB傳輸訊號系統，係具有兩個轉接器(10、20)經由第一導體對(32)及第二導體對(34)相互連接，其中每個轉接器(10、20)均具有一可用於接出或接入USB訊號之USB介面(12、22)，其特徵在於：該USB介面(12、22)分別具有三對USB訊號導體(SSTX+、SSTX-；SSRX+、SSRX-；D+、D-)，可用於差分傳輸USB資料訊號，這些導體係經由一幻通電路與第一導體對(32)、第二導體對(34)接合。
  9. 如申請專利範圍第8項所述USB傳輸訊號系統，其中，第一USB訊號導體對為一SSTX訊號導體對(SSTX+、SSTX-)，第二USB訊號導體對為一SSRX訊號導體對(SSRX+、SSRX-)，且第三USB訊號導體對為一D訊號導體對(D+、D-)。
  10. 如申請專利範圍第8或9項所述USB傳輸訊號系統，其中，第一導體對(32)及第二導體對(34)係以四芒星排列狀安裝於一電纜內，且優先為一HSD連接器構造。
  11. 如申請專利範圍第8項所述USB傳輸訊號系統，其中，兩個轉接器(10、20)之間額外有一電源供應導線對（36），其與USB介面(12、22)上之電源供應導體對(VBUS、GND)相連接。
  12. 如申請專利範圍第8項所述USB傳輸訊號系統，其中，在一USB介面(12、22)上至少連接一USB3插座或是一USB3電纜。
  13. 如申請專利範圍第8項所述USB傳輸訊號系統，其中，USB介面(12)接出至USB介面(22)覆蓋於兩個轉接器(10、20)與第一導體對(32)、第二導體對(34)之上的屏蔽層，以對資料訊號提供一電磁屏障。
  14. 如申請專利範圍第8項所述USB傳輸訊號系統，其中，安裝於每個轉接器(10、20)上之電路板，其具有邏輯電路元件，如數位加法器或減法器。
  15. 如申請專利範圍第8項所述USB傳輸訊號系統，其中，轉接器(10)具有三對USB訊號導體(SSTX+、SSTX-；SSRX+、SSRX-；D+、D-)且形式為USB介面(12)之第一介面，每個導體對均係用於差分傳輸USB資料訊號，以及一具有第一導體對(32)及第二導體對(34)之第二介面(14)，其特徵在於：一可將第一共模訊號插入經由第一USB訊號導體對(SSTX+、SSTX-)輸入之差分訊號的機制，以產生一個經由第一導體對(32)傳輸之第一差分傳輸訊號，以及一可將第二共模訊號插入經由第二USB訊號導體對(SSRX+、SSRX-)輸入之差分訊號的機制，以產生一個經由第二導體對(34)傳輸之第二差分傳輸訊號；其中，第一共模訊號值與經由第三USB訊號導體對輸入之訊號部(D+)、或是其一部分或是其倍數相同，且第二共模訊號值與經由第三USB訊號導體對輸入之差分訊號之參考部(D-)、或是其一部分或是其倍數相同。
  16. 如申請專利範圍第15項所述USB傳輸訊號系統，其中，轉接器(10)之第二介面(14)係一HSD介面。
  17. 如申請專利範圍第15項所述USB傳輸訊號系統，其中，轉接器(10)在USB介面(12)上至少連接一USB3插座或是一USB3電纜，以及在第二介面(14)上至少連接一HSD插座或是一HSD電纜。
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