Schnell und weit USB 3.1 - eine Multifunktions-Schnittstelle

Je höher die Datenraten, desto kürzer das Kabel. Dies gilt auch für USB 3.1. Laut USB-Spec beträgt die Länge drei Meter. Dieser Beitrag verrät, wie sich längere Distanzen bei hohen Datenraten erreichen lassen.

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Mit der Einführung von USB 3.0 hat das USB Implementer's Forum einen Schnitt in der Entwicklungsgeschichte von USB vorgenommen. Um mehr als das 10-fache wurde die Bandbreite erhöht und das Nadelöhr der bidirektionalen Kommunikation beseitigt. Trotzdem lässt sich die Physik nicht überlisten, und die maximale Leitungslänge ging zurück. Wie man dennoch längere Distanzen bei hoher Datenrate überwindet und gleichzeitig weitere Signale überträgt, zeigt dieser Artikel.

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Je höher die Datenraten, desto kürzer das Kabel. Diese alte Regel gilt auch für die letzte Generation von USB. War die maximale Distanz bei den Versionen bis 2.0 noch im Wesentlichen von der Signallaufzeit bestimmt – USB setzt eine maximale Antwortzeit des Devices voraus, ist sie bei USB 3.1 von der Dämpfung des Signals bestimmt. Laut USB-Spec liegt sie bei drei Metern. Durch die Limitierung auf eine Distanz von drei Metern zwischen Host und USB Device ist der Einsatz in professionellen Applikationen, bei denen nicht nur der PC unter dem Bürotisch mit der Festplatte oder der Webcam auf der Schreibtischplatte verbunden werden müssen, zu stark eingeschränkt. Der USB-Spezialist Icron hat sich dieses Problems angenommen und eine patentierte, „ExtremeUSB“ genannte Lösung entwickelt.

Sie hebt das Limit auf, indem sie dafür sorgt, dass die zeitkritische, durch das USB-Protokoll vorgegebene Kommunikation lokal abgewickelt wird, und die Kommunikation über die Distanz davon entkoppelt ist. Dabei wird ein so genannter „Local Extender“ (LEX) mit dem USB-Port des Host-Rechners verbunden. Das USB-Kabel muss daher nur die kurze Distanz zwischen diesen beiden überbrücken. Ebenso übernimmt auf der Device-Seite ein „Remote Extender“ (REX) die USB-Kommunikation mit einem oder mehreren Devices. Die Verbindung zwischen LEX und REX ist mit einem beliebigen Übertragungsmedium durchführbar, gängig ist aber ein CATx-Kabel oder Glasfaser (Bild 1).

Das ExtremeUSB-Verfahren ist für das Betriebssystem völlig transparent. Damit ist für den Extender kein Software-Treiber erforderlich, lediglich für das angeschlossene USB-Gerät. Kompatibilitätsprobleme, die auf einer Unverträglichkeit eines Treibers beruhen, lassen sich so ausschließen. Nachträgliche Erweiterungen der Übertragungsdistanz können ohne Softwareupdate durchgeführt werden, was insbesondere bei geschlossenen Systemen ein großer Vorteil ist.

Die Unterschiede zwischen USB 3, USB 2 und USB 1

Im folgenden soll der Begriff USB 3.1 sy-nonym für alle Schnittstellen der dritten Generation stehen (siehe Infokasten), und auch USB 2.0, USB 1.1 und USB 1.0 einschließen. Mit der Einführung von USB 3.1 wurde nicht nur die Datenrate erhöht, sondern die Schnittstelle elektrisch neu definiert. Die für den Anwender sichtbare Änderung liegt in dem neuen Stecker. Der Typ A, der in PCs verbaut ist, ist äußerlich unverändert, hat aber weitere Kontakte.

Der physikalische USB-Kanal unterscheidet zwischen 2.0 einerseits und 3.1 andererseits. USB 2.0 verwendet vier Leitungen, nämlich eine Versorgungsleitung mit 5V, GND als Referenz dazu und zwei differentiell angesteuerte Datenleitungen D+ und D-. Die Kommunikation findet über die beiden Datenleitungen statt und kann immer nur abwechselnd in der einen oder in der anderen Richtung erfolgen. Dies limitiert die maximal nutzbare Übertragungsbandbreite. USB 3.1 vermeidet diese Beschränkung, indem es für beide Übertragungsrichtungen separate differentielle Kanäle verwendet. Bild 2 zeigt die Unterschiede, wobei SS für die neue Geschwindigkeit „Super Speed“ steht. Die weitaus höhere Bandbreite lässt Raum für viele gleichzeitig angeschlossene Peripheriegeräte.

Hohe Bandbreiten erlaubt Übertragung weiterer Signale

Die hohe Bandbreite der USB-3.1-Schnittstelle ermöglicht es, außer den Signalen des Universellen Seriellen Busses (USB) noch weitere Signale zu übertragen.

Der USB Type-C „Alt Mode “mit DisplayPort ist ein Beispiel dafür. Icron als Spezialist für USB-Extender bis 100 m über CATx-Kabel nutzt den USB-Kanal, um neben seiner eigentlichen Bestimmung für 5 Gbps SuperSpeed USB noch 4k- (UHD) Videosignale mit DisplayPort-Protokoll, serielle RS-232-Signale, Audiokanäle und Gigabit-Ethernet jeweils nativ, also nicht als USB-Paket, zu übertragen.

Bemerkenswert ist, dass für alle Kanäle die volle Bandbreite zur Verfügung steht, also keine Einschränkungen wie bei anderen Kombinationslösungen entstehen. Anders als andere bietet dieser Ansatz außerdem die volle Abwärtskompatibilität zu USB 1.1 und 2.0.

CATx-Kabel, die die Verbindung zwischen LEX und REX herstellen, sind in vielen Ausführungen verfügbar, so dass bei gleicher elektrischer Spezifikation z.B. Kabel mit ölbeständigem Mantel oder besonders robuster mechanischer Ausführung für den Betrieb in Schleppketten verwendet werden können.

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