线缆规范-USB20.doc

1 前言(Introduction)在個人電腦的環境中，週邊裝置存在著包括價格、規劃及連接等方面的缺點。USB的出現也就是基於這些原因。簡單地說，USB創造了一種連接以及存取週邊裝置的方法。此種方法降低了整體的價格，並且解決了一些舊式週邊裝置的技術問題。惠盈的USB 1.1手動量測治具系統，是針對USB線材的製造或相關廠商，提供了一套簡便的量測方式，並使其得到精確的量測結果報告以控制USB線材的品質水準。再者，USB 2.0介面規格的問世，在纜線市場亦造成一股熱流，為因應此發展，在惠盈抓住科技前鋒的理念下，我們也將於近日推出針對USB 2.0線材規格所設計的精密量測系統以符合您的需求，使您的產品能在高科技高品質的要求下向您的客戶作最好的品質保證。敬請期待!USB 1.1的纜線將是此手冊的重點，下個單元我們將會一一介紹有關於這部分纜線的詳細資料。為方便起見，手冊中所談及之治具，除非特別說明，皆以惠盈治具為主。2 線材的介紹USB全名為Universal Serial Bus，其意思為通用序列匯流排。為了使終端使用者能簡化電腦週邊配備連接與規劃的過程，所以有USB線材的產生，以下將從不同的角度來介紹USB線材。2.5 USB的主要特性l 經濟性：USB提供低價位的連接週邊裝置方案，一次最多可以連結多達127個裝置。l 熱插拔及Plug & Play的功能：USB自動偵測裝置連結，軟體會自動將其規劃，以供立刻使用。此過程中，不需要使用者介入。l 纜線供電：USB支援兩種傳輸速率，可分為低速(Low Speed)1.5Mb/s及高速(Full Speed)12Mb/s。其中，前者使得低速/低價裝置之使用成為可能。此乃因為纜線可被設計為不需要遮蔽因而價格降低。周邊裝置可直接由纜線供電。後者可提供5.0VDC的電力。視集線器連接器埠而定，電流的範圍是100mA-500mA。l 免除系統資源需求：與ISA、EISA和PCI裝置不同的是，USB裝置不需要記憶體或輸出入位址空間(DMA)以及IRQ線。l 錯誤偵測與復原：USB交易包含錯誤偵測機制以確保資料的正確傳遞。當錯誤發生時，交易將被重試。l 節省能源：若是經過3ms匯流排沒有動作，USB裝置會自動進入省電狀態。此時，裝置所消耗的電流不超過500uA。l 支援四種傳輸：USB定義四種傳輸型態以支援各種不同裝置的需求。這四種型態包括（巨量、即時、中斷及控制傳輸）。下圖為USB裝置分配圖(圖 2.1)，我們可以發現其用途極廣。5m5m5m5m5mHostHubDevice圖 2.1圖 2.22.6 USB的Raw Cable結構USB之纜線，包含一對信號線 (白D-、綠D+)，有一對電源線 (紅VBUS、黑Gnd)共四條導體線，其橫切面如圖2.3所示，其中以鋁箔和編織為其遮蔽；如將外層絕緣體剝去25mm，內層絕緣體剝去2mm，其側視圖如圖2.4所示。外層絕緣體鋁箔信號線 (白為D-、綠為D+)(建議使用P.P或P.E材值之絕緣芯線電源線 (紅為VBUS、黑為Gnd)編織圖 2.3圖 2.4其構造依結構用途的不同而詳述如下：l 對Full Speed Cable而言，必須有：1. 一對對絞之28AWG訊號線(D+及D-)、2. 一對不用對絞的20-28AWG電源線、3. 65%以上之金屬遮蔽。l 對Low Speed Cable而言，必須有：1. 一對不用對絞之28AWG訊號線(D+及D-)、2. 一對不用對絞的20-28AWG電源線。l Full Speed Cable除了必須符合Full Speed規格外，也必須符合Low Speed規格(但是Propagation Delay傳播延遲除外)；但Low Speed Cable只需要符合Low Speed規格。l Full Speed Cable可用於Full Speed Device及Low Speed Device;；但Low Speed Cable僅可用於Low Speed Device。VBUS(Red)D+ (Green)D- (White)Gnd (Black)VBUSD+D-Gnd圖 2.52.7 USB 線材的規格版本因USB線材目前依其規格限制分為三種版本：USB 1.0、USB 1.1、USB 2.0。此三種版本的發展特色及規格內容請比較第3章所示：2.8 Cable Assembly的接頭介紹:Cable Assembly為組裝線，即在USB線端已完成接頭製作的線稱之。USB既為連接電腦及其週邊設備的線材，自然在線端應具插入接頭(plug)，並在其連接的設備上應具備母座插孔(Receptacle)。USB線材的接頭又因其連接的設備之不同而有下列分別：Type A：接頭為往上於主機端(Upstream towards the Host System)，如圖2.6所示，其對應母座如圖2.8所示Type B：接頭為往下於裝置端(Downstream towards the USB Device)，如圖2.7所示，其對應母座如圖2.9所示圖 2.6圖 2.7 圖 2.8圖 2.92.9 USB1.1纜線之特性要求:USB1.1纜線，依Full Speed及Low Speed會有所不同；茲說明如下:l 特性阻抗(Impedance):(Full Speed Cable only)：使用之設備：TDR in Differential Mode(Risetime 500ps)要求之條件：9015%(76.5103.5) for full cable length。l 傳播延遲(Propagation Delay):使用之設備：TDR in Differential Mode(Risetime 500ps)要求之條件：Less than 26ns(Full Speed Cable)Less than 18ns(Low Speed Cable)。l 傳播延遲差（Propagation Delay Skew）:(Full speed Cable only)：使用之設備：TDR in Differential Mode要求之條件：Less than 400psl 衰減（Attenuation）:(Full Speed Cable only)：使用之設備：Network Analyzer in Differential Mode要求之條件：請參照USB 1.1的規格2.10 USB纜線設計之建議針對Full Speed Cable而言，除了衰減的要求外，延遲、延遲差的限制，皆會影響所使用的最大長度；一般而論，Full Speed Cable最長使用長度約為5M。83 USB 線材規格3.1 USB 1.0線材規格符合USB 1.0線材的規格重點介紹及描述Remarks1.Cable Constructure線材結構Low Speed: R,B of Power non twist pair W,G of Signal non twist pairFull Speed: R,B of Power non twist pair W,G of Signal twist pair2.Operating Speed傳輸速度Low Speed(1.5Mb/s)Full Speed(12Mb/s)3.Keyed ConnectorA ConnectorB Connector4.DC Drop125m V drop per link of cable assembly量測參數規格附註1.特性阻抗Cable Impedance 9015%( 76.5103.5 )使用NA測量(116MHz)2.衰減Signal Pair AttenuationFrequency( MHz )dB/305 ft( maximum )使用 NA 測量0.0644.80.2566.70.5128.20.7729.41.00012.04.00024.08.00035.010.00038.016.00048.03.延遲Cable Assembly Delay30 ns( maximum )使用 NA 測量4.延遲差Cable Assembly Skew65.6 ps( maximum )使用 NA 測量5.Remarks：不管USB 1.0線材的長度為何，只要符合上述規格即為合格線材。3.2 USB 1.1線材規格符合USB1.1線材的規格重點介紹及描述Remarks1.Cable Constructure線材結構Low Speed: R,B of Power non twist pair W,G of Signal non twist pairFull Speed: R,B of Power non twist pair W,G of Signal twist pairR: Red WireB: Blue WireW: White WireG: Green Wire2.Operating Speed傳輸速度Low Speed(1.5Mb/s)Full Speed(12Mb/s)3.Keyed Connector接頭型式A ConnectorB Connector4.DC Drop125m V drop per link of cable assembly量測參數規格限制附註1.特性阻抗Cable Impedance 9015%( 76.5103.5 )使用TDR測量Differential Mode2.衰減Signal Pair AttenuationFrequency( MHz )dB/cable( maximum )使用 NA 測量0.0640.080.2560.110.5120.130.7720.151.0000.204.0000.398.0000.5712.0000.6724.0000.9548.0001.3596.0001.903.延遲Propagation Delay26 ns( maximum for full speed cable)18ns( maximum for low speed cable)使用TDR 測量Differential Mode4.延遲差Propagation Delay Skew400 ps/cable( maximum full speed cable only )使用TDR 測量5.Remarks：不管USB 1.1線材的長度為何，只要符合上述規格即為合格線材。3.3 USB 2.0線材規格(Draft version)符合USB2.0線材規格的重點介紹及描述Remarks1.Cable Constructure線材結構Low Speed: R,B of Power non twist pair W,G of Signal non twist pairFull Speed: R,B of Power non twist pair W,G of Signal twist pairHigh Speed: R,B of Power non twist pair W,G of Signal twist pair2.Operating Speed傳輸速度Low Speed(1.5Mb/s)Full Speed(12Mb/s)High Speed(480Mb/s)3.Keyed ConnectorA ConnectorB ConnectorC ConnectorD ConnectorCD Connector4.DC Drop125m V drop per link of cable assembly量測參數規格限制附註1特性阻抗Cable Impedance Differential Cable Impedance 9015% (76.5103.5)Common Mode Cable Impedance 3030%使用TDR測量，500ps risetimeDifferential Mode及Common Mode2衰減Signal Pair AttenuationFrequency( MHz )dB/cable( maximum )使用 NA 測量，也可以參照EIA364-101，以Open/Short 量測法加以測量0.0640.080.2560.110.5120.130.7720.151.0000.204.0000.398.0000.5712.0000.6724.0000.9548.0001.3596.0001.90200.0003.20400.0005.803延遲Propagation Delay26 ns only for Type A-B Datachable Cable5.2 ns/m others使用TDR測量，500ps risetimeDifferential Mode4延遲差Propagation Delay Skew100 ps/cable( maximum )使用TDR測量，500ps risetime5Remarks：不管USB 2.0線材的長度為何，只要符合上述規格即為合格線材。223.4 USB治具介紹圖 3.1 料號：WI-PSUS-001品名：USB 1.1 Manual Measurement Kit(如圖4.12)其內容及明細則如下所示：惠盈USB組裝線手動測試治具細目數量圖 號使用次數限制料 號Balun & Mechanism2 1500WI-SFUS-005S21 Thru Calibration Fixture11500WI-SFUS-006USB 1.1 Type-A Assembly Fixture21500WI-SFUS-007USB 1.1 Type-B Assembly Fixture21500WI-SFUS-008USB 1.1 Raw Cable Fixture21500WI-SFUS-009SMA(m-qm) 快速連接器41500A05-020-IO-00SMA(f-qm) 快速連接器21500A05-019-IO-00接地螺栓2M02-003-VI-00M4 Screw Post 螺栓2M09-001-CS-A0100cm長SMA(m-m) SS402同軸線3WI-SLRG-009Kit-2 置放架1M02-005-SW-0222 AWG剝線鉗1F02-002-GS-00操作手冊1WI-CMFW-001收納木箱(409*269*70mm)1M02-002-VI-00USB組裝線手動測試治具海棉1F07-003-HH-003.5 量測步驟原理及注意事項注意事項：1. 使用NA量測時，若不知儀器的設定狀況建議按面板之PRESET鍵以進行重新設定。2. HP的NA依面板之類別可分為以下三大類：n HP871X系列：HP8712B、HP8712ET、HP8712ES、HP8714C、HP8714ES、HP8714ET等統稱之。(以下章節僅以HP8712ET說明)。n HP8751X系列：HP8751A。(HP8751A)。n HP8753X系列：HP8753C、HP8753D、HP8753ES等統稱之。(HP8753D)。 說明：其同類之面板按鍵均相同，僅軟體部份有些微不同。惠盈選擇各類中括號之型號為代表操作，使用者請依使用型號對照所需參考之操作步驟。筆者並將盡所能將各型號的不同蒐集並在各Step的注意事項中告之，若未能詳盡處歡迎來函知會。3. 量測原則可分為兩大過程：一、量測前的儀器設定及校正。二、量測操作。第一部份其步驟可能因儀器不同而有不同，故以下針對各儀器之設定及校正步驟作注意的提醒。 4. 量測前的儀器設定及校正中又可依各儀器的各參數量測原理分為6個Step如下所示：Step1. 設定NA的頻率範圍量測USB線材之衰減時，需依各規格輸入其欲量測的起始頻率及終止頻率。Step2. 設定NA的取樣點數(Number of Points)、輸出信號功率(Power)及掃頻模式(Sweep Type)注意事項：A. 取樣點數，惠盈建議值為401點。但以USB所量測的最高頻率96MHz而言，其對目前三大類NA儀器的取樣點數至少需在201點以上。(若為871X，則必須401點以上)B. HP871X與HP875X在掃頻模式上的差別為前者只有Lin沒有Log的設定，故HP871X系列無需設定掃頻模式。C. HP8751A 在量測USB 線材時無需設定Power值，因其Power值預設為0dBm。D. HP871X在輸入設定掃頻點數完畢時，需再按螢幕上的Enter鍵方完成輸入動作。Step3. 設定量測模式為傳輸USB線材的衰減量測屬傳輸量測，故其模式只有兩種S21 即(B/R)及S12(A/R)。Conversion必需設定為Off。注意事項：A. 三大類的NA在此點設定的路徑上有些許不同，請選擇適合的儀器參考操作之。Step4. 設定參數的顯示格式因所作為衰減量測，因衰減量測屬傳輸量測故應設為Log Mag模式。Step5. 設定NA的解析度及平滑度NA解析度的設定，即為IF BW(中頻濾波器)值的設定，亦等於System Bandwidth值的設定。注意事項：A. HP871X與HP875X在IFBW值的設定路徑上有所差異，請詳觀其操作設定步驟。請選擇適合的儀器參考操作之。B. IF BW值，惠盈的建議設定為300，三類NA的設定有以下不同：l HP871X：其範圍皆已設定好，但無300的範圍，故請選擇螢幕按鍵Narrow 250Hz的範圍。l HP8751X：其IFBW值之最高上限為200，故其最高僅能設為200。l HP8753X：可設300或以上。C. 平滑度的設定，除非必要或規格需求，否則不建議使用SMOOTHING ON。D. HP8751A：可不設SMOOTHINGE. HP871X：沒有SMOOTHING的選項F. HP8753X：可不設SMOOTHINGG. 做完以上之設定後請將BALUN、THRU治具、接頭及同軸線接上儀器如所示，以準備作校正。Step6. 系統量測前的校正目的為將量測時所使用除了待測線外的連接元件的電氣特性先作校正歸零的動作，以使其量測值不干擾待測線本身的電氣特性值。3.6 TDR使用注意事項時域反射儀(TDR)注意事項:時域反射儀是一部相當精密的儀器，而且由於其對靜電非常的敏感，所以在使用上必須非常小心，其操作時的注意事項如下所示：1. 時域反射儀必須先開機大約半小時才能達到工作溫度，故請於要使用前半小時就先開機，並不要任何操作程序，等到開機半小時後，時域反射儀達到工作溫度後再行做設定,校正及量測。2. 使用時務必隨時配帶靜電手環，以消除靜電，否則靜電將會對TDR造成損害。3. 中午休息時間請不要關機，以免下次量測時必須再開機半小時。4. 平常接好的兩藍色同軸電纜線不要輕易移除或替換，建議可將其編號固定。5. 關機，平時不用時或中午休息時間，請將兩顆50W Load接在同軸電纜線的最尾端，以免受空氣中的靜電影響。6. 儘可能將電源取至有接地的插座。3.7 操作手冊使用方式這是一份USB 1.1手動操作手冊，內容包括Impedance、Attenuation、Propagation Delay、Propagation Delay Skew等測試項目，詳細敘述所需的設備、治具、附件、方法及規範。為方便起見，手冊中所談及之儀器若無特別說明則為HP或Tek儀器；而治具皆為惠盈治具；操作過程中藍實框代表儀器面板鍵，紅虛框代表螢幕指示鍵(請參閱下圖)，含底色實框則為動作。Tek儀器使用觸控式螢幕，直接按取螢幕上選項即可改變選項。表示動作 接上Balun，Thru治具及同軸線本操作手冊是Cable Assembly治具示範所有量測參數，若是待測物為裸線，其裸線準備方式及待測線接法請參閱第5章所示，而其量測方法與Cable Assembly相同。參數量測依不同搭配儀器之步驟參考頁數簡圖：量測參數使用儀器參閱標題參閱頁碼量測所需之物具及數量1特性阻抗Cable Impedance TDR HP54750A6.1.3.1P27USB接線治具*2如圖4.415及4.16SS402同軸線*2SMA(Double Female)*2如圖4.23SMA (Short)*1 如圖4.24SMA(Load)*2 如圖4.25TEK 11801C6.1.3.2P37同上2延遲Propagation DelayTDR HP54750A6.2.3.1P45USB校正治具*1如圖4.14USB接線治具*2如圖4.415及4.16SS402同軸線*2TEK 11801C6.2.3.2P51同特性阻抗3延遲差Propagation Delay SkewTDR HP54750A6.3.3.1P60USB治具Balun*2 如圖4.13USB接線治具*2如圖4.415及4.16SS402同軸線*2USB校正治具*1如圖4.14TEK 11801C6.3.3.2P61同特性阻抗4衰減Signal Pair AttenuationNAHP8712ET6.4.4.1P71USB治具Balun*2 如圖4.13USB接線治具*2如圖4.415及4.16SS402同軸線*2USB校正治具*1如圖4.14HP8751A6.4.4.2P76同上HP8753D6.4.4.3P81同上4 量測操作方法4.1 特性阻抗4.1.1 特性阻抗的意義特性阻抗(Characteristic Impedance)是指同軸傳輸線受其結構影響，而有一高頻信號的阻值，因TDR所使用的量測方法屬於時域，因此所讀之阻抗值為Cable Assembly整條線之某特點反應出來之特性阻抗。4.1.2 USB 1.1 的特性阻抗規格量測參數規格限制附註特性阻抗Cable Impedance 9015%( 76.5103.5 )使用TDR測量Differential ModeRisetime設定為500ps5. USB檢測 5.1 何謂USB?USB為Universal series bus(通用序列匯流排)的縮寫,是一种串列通訊協定(serial protocol),它負責實體層和鏈接層的建立,它可以支援慢速的資料傳輸(如滑鼠/鍵盤/遊對搖杆等),也支援快速的數位壓縮影音資訊.USB有兩對線,分別用來傳輸數據和提供給周邊設備所需的電源線,在2.0版前的標準定義了速度各為12Mbps(full speed)及1.5Mbps(low speed)的高速和低速兩种電纜線(cable),各與上游host端的type A連接器與下游Device端的Type B連接器組合而成USB線纜組(CABLE ASSEMBLY).透過USB集線器(HUB)和電腦內部的根集線器(ROOT HUB)就可以形成一個星狀網路,並且隨著集線器的數量增加而使得網路的規模隨之增大.所以它藉由一种全球通用的連接器取代了傳統的各种外接埠,像是串列埠,遊戲介面和並列埠等,USB並且可以充許多達127個周邊設備串列到一個外接USB埠上,而不必像現在的串列埠或並列埠一般,一個埠只能接一個周邊設備.如圖所示,簡單地說,就是簡化外部周邊設備與主機之間的聯接,利用一條傳輸線上並列串接各類周邊設備,解決現在主機後面一大堆線亂繞的困境.而且還能夠在不用重新開機或安裝的狀態下,隨時安插各式的周邊設備. 周邊設備 周邊設備 周邊設備 周邊設備 HUB HUBROOTHUB 一階 二階 USB是一种新的連接標準,它不需要再重新配置系統就可以使周邊設備直接連到電腦,為隨插即用(PNP,HOT-SWAPPING)提供了更為寬廣的未來,增加了使用者使用上的方便迅速.目前USB己經可以達到480Mbps(high speed)的高速傳輸目標,己經超過了IEEE1394-1995規格所定的速度,即使usb仍然有一些問題有待解決,不過占盡價格與技術優勢的USB2.0將成為PC匯流排標準的主流是必然的趨勢. USB最多只能接5階,USB只能能過HUB連接,(而1394可以周邊接周邊,對等式的連接),USB的連接為星狀網路. 5.2 USB的歷史演進1995年 七家居領先地位的公司提出USB1995年 成立USB Implementers Forum(USB IF,USB聯盟)1996年 公佈USB1.0標準1998年9月 發佈了USB1.1標準並僅剩下四家核心公司1999年1月 INTEL 從IEEE1394撤退,發表USB2.0構想1999年 HP,Philips,Lucent加入聯盟,10月決定了480Mbps的傳送速度2000年3月 USB IF改為公司形態(USB IF ,Inc)2000年4月 正式發表USB2.0版標準.(預估)2002年將是USB2.0周邊裝置的使用高峰期.5.3 USB Implementers Forum組織 USB聯盟為一非營利組織,成員包括USB發起的七個核心公司,除了最主要的USB技術發展和標準訂定外,其如開辦技術研討會,安排產品相容性測試,維護USB網站資料,參加國際性展覽,召開技術性會議以及會員的招收等也是定期性的任務. 除了核心公司的代表外,協會另設有主席,副主席,秘書和一些技術委員會,各設有專人負責.目前全世界會員多達800家以上. 5.4 USB2.0版與1.1版之不同項目1.1版2.0版信號間的滯留400psec100psec信號誤減頻率96MHZ400MHZ連接器(between plug shell and plug shell)N.A0.6W纜線的延遲時間26ns26ns(A-B Type )other:5.2ns/m共模的特性阻抗N.A30W+15%決策成員Intel,Microsoft,NEC,Compaq,Northern Telecom,IBM,DECIntel,Microsoft,NEC,Compaq,HP,Philips,Lucent5.5 USB v.s. IEEE1394 雖然USB與1394兩种串列埠外表极為相似,不過卻有不同的應用頻寬和不同的成本.1394雖然可以在相同時間內處理更多的資料,但是由於復雜的通訊協定使得成本提高,所以1394適合用在磁碟機,高品質影像處理或其它寬頻的應用產品上;USB則適用於如掃描儀,印表機,滑鼠,鍵盤或音響等中低頻寬產品. 其實USB和1394兩者具有互補的功能與技術,1394重於高性能而不在乎價格,而USB卻擁有價格上的優勢.USB有了INTEL晶片及Microsoft作業系統的全力配合,目前幾乎每一臺PC或筆記型電腦出貨時均附了USB介面,並且USB由於其隨插即用功能,使用便利,成本低,可獨立的供電設計特性,加上傳輸速度比1394高出20%,現在鍵盤,滑鼠,印表機,掃瞄儀,喇叭,