Hi-speed USBのガルバニック絶縁は不可能ですか？

私のPCからUSBデバイスをガルバニック絶縁するUSBアイソレーターを持っていますが、低速および全速USBでのみ機能します。Hi-speed接続を提供する代替の電気アイソレーターを見つけることができません。しかし、USBファイバーエクステンダーは高速スループットで提供され、ガルバニック絶縁と高帯域幅の両方を提供する必要があります。

USBのガルバニックアイソレータの帯域幅に実際的または物理的な制限はありますか？実際の物理法則が関係していますか、それとも単なるエンジニアリング上の課題やコストの問題ですか？

編集する

私自身の質問を言い換えましょう：

非ファイバーUSBアイソレーターの価格は約€100ですが、フルスピードUSBに限定されています。Hi-speed USBアイソレータは存在しないので、100ユーロでは作れないと思いますが、かなり高くなります（1000ユーロ？10,000ユーロ）。そのような価格では市場が存在しないため、利用可能な高速USBアイソレータはありません。

したがって、問題は次のとおりです。高速USBアイソレータが、フルスピードUSBアイソレータよりもはるかに高価なのはなぜですか。フルスピードデバイスに使用されるアプローチに物理的な制限があり、それがハイスピードデバイスに適用不可またはコストが非常に高くなりますか？

確かにマーケティングの法則が含まれています。:-)

ギガビットイーサネットと10Gイーサネットは、ガルバニック絶縁されています。ですから、今日の技術でそれが可能であり、日常的に行われているのは明らかです。

光ファイバーUSBエクステンダーは、光源と受光器が別々のチップ上にあることを除いて、基本的にオプトカプラーのように機能します。ファイバーエクステンダーの機能を1つのパッケージにまとめると、コストが安くなるはずです。光結合の代わりに磁気結合または容量結合を使用すると、再び安価になります。

USBは通常、接地電位に大きな差がなく、電気的絶縁が不要な短距離（最大5m）データ接続に使用されます。

ガルバニック絶縁を必要とする、またはその恩恵を受ける医療や低ノイズなどのいくつかのアプリケーションがあります。これらのアプリケーションはすべて特殊化されており、既存のファイバーエクステンダーソリューションはガルバニック絶縁要件を完全にカバーしています。さらに、Bluetooth、Zigbeeなどのワイヤレスソリューションも（低速での）分離要件を満たします。結論として、USBアイソレータの市場ニッチはおそらくそれほどありません。

FWIW、私は数年前に高電圧電源サブシステムの開発作業中にファイバーエクステンダーを使用しました。絶縁が必要なだけで、ファイバーはベンチに巻き付けられたままでした。

リンクをありがとう。

編集：「実際の物理法則が関係していますか？」という質問の一部については、いいえ、ギガビットイーサネット、10Gイーサネット、さらにはワイヤレスソリューションなど、より高速で電気的に分離された通信リンクが多数あります。

「……それとも単なるエンジニアリング上の問題なのか、それともコストの問題なのか」はい、2018年の時点で、エンジニアリングの課題は数年前よりも少なくなっていますが、それでもかなりの努力が必要です。しかし、需要が非常に限られているようであれば、誰がそのようなソリューションの開発に資金を提供するでしょうか？

12Mbps USB転送レート用の既製の絶縁リピーターチップがあります 。AnalogDevicesのADuM4160またはLinear TechnologyのLTM2884です。驚いたことに、両方とも誘導結合=小型のオンチップ信号トランスを結合要素として含み、シリコン（CMOS？）バッファ付きトランシーバーによって外界に接続されています。最近、なぜ絶縁が光学的ではないのか不思議に思います...

100Base-TXイーサネット、SATA、PCI-e、またはRS422はすべて、4線式全二重リンクを構成する、どちらの方向にも平衡ペアを使用することに注意してください。ギガビットおよび10Gbイーサネットは、私が推測する光ファイバー上でのみそのように機能します。

対照的に、USB低速/全速/高速は、半二重モードで単一の平衡ペアを使用します。半二重モードでは、ホストとデバイスが交互にバスで会話し、終了時にラインドライバーをトライステートにする必要があります。話をして、相手にチャンスを与える（RS485と多少似ていますが、電気的およびフレーミングの詳細は異なります）。

上記のチップを含むすべてのガルバニックアイソレータは、その半二重方向切り替え通信スタイルを尊重する必要があります。DCバイアス抵抗を除いて、単一の信号trafoは理論的には12 Mbpsで動作するはずであり、フレーミングも「平均してDCオフセットがない」わけではないため、パッシブtrafoを使用するだけでは困難です。減衰はさておき。

おそらく、そもそもアクティブアイソレータが「テーブルを回転」させて送信の終了を最初に検出する必要があるため、今日のシリコンでも、480 Mbpsでの「愚かなUSBリピータ」の実装は現実的ではありません。高速USB 2.0（定電流信号）の電気的インターフェースには他にもいくつかの変更があると思われます。これは、高速USBがこの種の485スタイルのRX / TXスイッチングに簡単に対応できないもう1つの要因である可能性があります。ダムリピーター。

「方向切り替え」の問題には別の方法があることに注意してください。アナログ方式でライン上の高Zを検出するのではなく、固有のレイテンシ（遅延）をもたらすので、アイソレーターはUSBプロトコルを理解する必要があります。 USBハブのように、現在受信されているフレームの終わりをいつ予測するかを認識します。そしておそらく、USBハブのように、フレーム全体をバッファしてから、それらを反対側に中継します。（またはそうですか？）事実上、アイソレータはUSBハブにならなければならず、どこかにアイソレーションギャップがあります。

ハブ式の分離されたリピーターがないことは、私には多少意外です。ATMELと友達がハブを作り、AnalogまたはLinear（またはAvago？）がアイソレーターを作るからかもしれませんが、2つのギャングは混ざりません...

分離ギャップを介して高ビットレートを転送する問題はそれほど難しくはないはずですが、この領域でさえ、驚くほど「開発が遅れている」ように見えるか、何らかのギャップが生じているようです。ファイバー上の10Gbイーサネットは何年も前から存在しています、「レーザー」（少なくともVCSEL）によって送信され、フォトダイオードによって受信されるビット単位のベースバンドSERDES（ビットストリーム）。しかし、DILパッケージのオプトカプラは、50 Mbps程度に達していません。ギャップはどこから来るのですか？まあ、DILオプトカプラーを作っている人たちは、比較的遅いLEDソースとフォトトランジスターレシーバーに依存しているように思えます。ファイバー製品を製造している人は、VCSELSとフォトダイオードをファイバーへの結合に適したものにします-調整可能なバイアス電流で、VCSELにストラップなどのローカルフィードバックダイオードを取り付けます。それらの高級な部品。ファイバー結合のギガビットのものは通常、電気的インターフェイスでAC結合を使用しますが、それは大きな問題ではないことに注意してください。

多分それは私の側の業界の保守的な古い学校の見方だけかもしれません。多分ギガビットの高帯域技術はすでに新しい時代に移行しており、標準化されたバスとインターフェースの観点からしかプレイできず、単一の信号で愚かな単純なロジック1/0を転送できるディスクリートコンポーネントを作る意味はありません。 。多分これはあなたがまだそのように物事をハッキングできるという私の恐竜スタイルの考えにすぎないのかもしれません。現代のGHz時代は、はんだごてを使ったカジュアルなハッカーに対して「レベルを引き上げる」ようです。エレクトロニクスハッキングは、高価な機器を備えた閉鎖型ラボの問題になり、業界をリードする大手ベンダーのみが利用できます。閉鎖的なクラブです。これからは、ハッキングできるのはソフトウェアだけか、ささいなアンテナのようなものだけです。

信号トランスは、明らかに数百MHzでの使用に適しています。1000Base-TX、特に10GBase-TXは、すべての変調で電力を大量に消費するDSP処理を犠牲にして、データを多くの「シンボルあたりのビット数」に絞り込み、全二重のペアレーンでバランスのとれたレーンに細心の注意を払います。 /ローカルエコーキャンセレーション/事前イコライゼーション...「磁気」（信号変換器）を介して利用可能な200 MHzの帯域幅に収まるようにするだけです。TVアンテナテクノロジーを使用している場合は、500〜800 MHz以上の上限で、ガルバニックアイソレーターが厳密に容量性であることにお気づきかもしれません。どのコア材料を選択したとしても、誘導性変圧器はそれらの周波数ではうまくいきません。

結局...あなたは何を知っていますか？USB3は、別々の平衡ペア伝送ラインを使用しているようです。TX用に1ペア、RX用に1ペア。家に帰るような気がします。

ごめんなさい。

文字通りに答える：いいえ、今日ではもう制限はありません。

それでも400ドル未満の実用的な解決策はまれです。これは、マーケティングや大量生産だけでなく、物理的またはむしろ電子的な設計のことです。

しかし、数年前、VCSELは高価な方法であり、並列化は絶縁のコストも上昇し、遅延の増加により固有のプロトコル問題が発生しました（USBが役に立たないシリアルバスから信頼性のあるものに移行したときはうれしかったです）。

2015/16でさえ、市販のデジタルアイソレーターICのビットレートは150Mbit / sに制限されています。USB2 480MBit / sチップを提供している会社は1つだけです（下記を参照）。

ADのiCouplerの基本原理を見てください。彼らは1nsのパルス幅のパルス列を使用し、このデジタル化アプローチによって元のパルスを再構築します。最大150Mbit / sの転送可能なビットレートで、USB2高速またはUSB3には十分な帯域幅ではありません。

ADのiカプラーの良いところは、二次側に電力を供給するためにエネルギーを転送できることです（多くはありませんが、それでも...）。多くのチップには、RX、TX、パワーコイルなどがあります。コンデンサを追加するだけです。したがって、待機はしばらくの間価値があります。

コーニングは、エミッターとしてVCSELレーザーを使用した真の光ファイバー技術を使用しています（最近まで、手頃な価格の方法はありませんでしたが、常に物理的に実行可能なものでした）。

少なくともコーニングの光USB3.0ケーブルは手頃な価格で、10mバージョンでは110ドルです。電力を消費するクライアントには、後でいくつかの電源付きUSB3ハブが必要になる場合があります（200mA以上を必要とするが、Corningは「電力がなくなる」と伝えている場合）。また、一部のセットアップでは運が悪い（または信頼性が低い）可能性があります。元に戻す準備をしてください。

時々、特許から情報を得ます。しかし、所有者でない場合でも、誰かがそれを使用するにはライセンス料を支払う必要があります。オーストラリアのチップ会社であるsilanna.comで見つけました。Googleの特許、WO2015104606A1を参照してください。Aha、彼らのUSB2 Silicon on Saphire容量性アイソレータベースのUSB2高速ソリューションが出ています：http : //www.silanna.com/usb.htmlですから、次のように、高効率のDC-DC絶縁が組み込まれたプロトタイプボードを待ちます。彼らは取り組んでいると主張している。

確かに、すべてのレーザーが摩耗したり、コンデンサーに落とし穴があるなどと主張したりできます。これが、コモンレール除去などの理由の中で、ADが磁気結合を使用する理由です。http://www.analog.com/media/en/technical-documentation/frequencyly-asked-questions/icoupler_faq.pdfを参照してください 。分離の厚さと伝送可能な帯域幅のトレードオフが必要です。彼らが5GBit / sに追いつくのを待ってみましょう。つまり、許容できるジッターを持つために、内部で20..30Gpulses / sのように送信する必要があります（icoupler技術を再利用する場合）。

私が今、質問のリテラルにもっと多くを届けたことを願っています...

私にとっては、コーニングを購入しますが、独自のDC-DC絶縁型電源を追加して、追加の（壁）プラグなしでUSBでdigilentアナログディスカバリー2に電力を供給します。一部の光ケーブルはUSB2互換ではないと報告されているため、おそらく小さな（1ポート）USBハブをコアニングの後に配置する必要があります。今のところ一緒に、これはアプローチを不器用にし、3つのモジュールのパッチワークを作ります。

あなた、アンディ

GigイーサネットのデータレートはUSB2高速よりもはるかに高速ですが、実際には4ペアのcat5ケーブルをすべて使用してこれを実現しています。また、複数のレベルの変調方式（PAM5）を使用して、各ペアの電気信号速度を100baseTとほぼ同じ、つまりトランスフォーマーが適切に処理できる約25Mhzを維持します。

Usbはバイレベルのみを使用するため、ここではシグナリングレートはデータレートと同じです。12 Mbps /秒のフルレートは、ギガビットイーサネットのシグナリングレートの半分であり、実現可能です。シンプルなバイナリを使用した480Mビット/秒の変換は、光学系のタスク、またはUSBデータを並列化してより低いレートで変換するなどのより狡猾なソリューションです。これは私の考えではありません。数週間前に提案されたのを見ました。

実際には多くのマルチメディアセットアップ、オーディオ、データ、電源接続の両方で問題が発生するサウンドカードがあります。USBサウンドカードを使用した教授のステージセットアップでは、複数のキーボードがUSB経由で同じPCに接続されている場合に問題が発生し、オーディオと電源のグラウンドも共有されます。通常はオーディオを分離する必要がありますが、それでもUSB接続と電源接続を介してデバイス独自のオーディオジェネレーターでノイズが発生する可能性があります。これが理解に役立つことを願っています。