USB Kabellengte
Inleiding
De USB interface is ontwikkeld om randapparatuur zoals printers en scanners met computers te verbinden. Sinds de USB 2.0 versie worden ook hogere snelheid apparatten zoals externe harde schijven vaak voorzien van een USB interface. Speciaal voor die snelle randapparaten kunnen kabellengte en kwaliteit bepalend zijn voor het goed functioneren van de apparatuur. Dit document leert je de USB regels om te kijken wat de maximale kabellengte is voor jouw specifieke toepassing.
USB kabellengte volgens de specificatie
Bij veel interfaces is de maximale kabellengte bepaald door specifieke elektrische eigenschappen van het communicatiesysteem. Voor RS-232 bijvoorbeeld was de kabellengte gelimiteerd door de maximale capaciteit van de datakabel. Deze waarde vast vastgelegd op 2500 pF. Elke datakabel met een capaciteit van maximaal die waarde is binnen de lengtelimiet. Met differentiële interfaces zoals RS-485 is de maximale kabellengte bijna omgekeerd evenredig met de datasnelheid. Hoe langzamer de bits over de lijn vliegen, deste langer de kabel mag zijn. Dit komt ook door elektrische eigenschappen zoals capaciteit en reflecties.
De ontwikkelaars van USB deden het andersom. Zij dachten aan het gebruik van USB als desktop interface en zeiden: “Nou, 4 meter is al een behoorlijk stuk kabel tussen een computer en een randapparaat, laten we de kabellengte tot die range beperken.” Vanwege deze benadering definieert de trage USB 1.1 specificatie een maximale kabellengte van 3 meter en staat de snellere USB 2.0 specificatie een kabellengte van 5 meter toe. Kennelijk realiseerden de ingenieurs zich dat 3 meter niet erg lang was in een kantooromgeving en hebben ze daarom de maximale lengte wat vergroot in de nieuwe uitgave van de specificatie.
Met dit in het achterhoofd valt het te begrijpen dat die 3 en 5 meter voor USB kabellengtes nauwlijks in alle gevallen het maximum kunnen zijn omdat ze niet primair zijn veroorzaakt door elektrische eigenschappen van de kabel of zender/ontvanger chips, maar door een bureaucraat in zijn kantoor. Daaruit zouden we mogen concluderen dat een iets langere kabel steeds zou moeten kunnen werken. Helaas is dat niet het geval. Nadat de ingenieurs hun beslissing hadden gemaakt over de maximale kabellengte gebruikten ze dat direct in de specificaties om parameters te beperken die wel natuurkundige eigenschappen hebben. Eén van deze eigenschapen is de kabelvertraging. Zoals mogelijk bekend verplaatst elektriciteit zich door een kabel met een snelheid die de lichtsnelheid benadert, maar desalniettemin kost het nog steeds een bepaalde hoeveelheid tijd om van de ene zijde van de kabel naar de andere te komen. Deze maximale vertragingstijd is bepaald op 18 nsec voor de lage snelheid USB 1.1 verbindingen en 26 nsec voor de hoge snelheid USB 2.0 verbindingen. De snelheid van elektriciteit door een koperdraad hangt af van de diëlectrische coëfficiënt van het materiaal dat rond de draad ligt. Hoewel we die parameter niet exact kennen voor elke USB kabel die in het veld te vinden is, is een snelheid van 65% van de lichtsnelheid een vrij realistische aanname voor een algemene kabel. In dat geval krijgen we 5,07 meter als maximum kabellengte voor de hoge snelheid USB 2.0 verbinding en 3,51 meter voor de lage snelheid USB 1.1.
Deze maximale tijdsvertraging is vastgelegd in the interface, dus zelfs met de hoogste kwaliteit kabel gemaakt van de beste materialen die verkocht wordt in de duurste computerwinkel komt er geen significant hogere maximale USB kabellengte dan met een goedkope Chinese kopiekabel gekocht bij een on-line winkel. Dit komt omdat de snelheid van elektriciteit door een koperen kabel wordt bepaald door eenvoudige natuurkundige wetten die zelfs de duurste kabels niet kunnen veranderen.
Je zou kunnen denken dat het kopen van de goedkoopste kabel daarom de beste prijs/kwaliteitsverhouding levert, maar vanuit persoonlijke ervaring moet ik daarvoor waarschuwen. Hoewel deze kabels kunnen functioneren bij een aantal apparaten functioneren goedkopere kabels niet altijd met alle apparatuur. Dit komt doordat de USB specificaties een vrij brede range van eigenschappen toestaan in zender en ontvanger chips en in de kabels. Wanneer in de computer een goedkope driver zit die relatief traag is met weinig uitgangsvermogen die moet verbonden worden met een randapparaat dat ook over een slecht ontworpen USB interface beschikt die maar net binnen de grenzen van de specificatie werkt dan kan een dure kabel werken, terwijl over een goedkope kabel de communicatie mislukt. Dus hoewel de maximum kabellengte niet afhankelijk is van de kwaliteit van de USB kabel is de betrouwbaarheid van de verbinding dat zeker wel. Voor apparatuur waarop u moet kunnen vertrouwen zoals externe harde schijven zou ik nooit het risico nemen van een koopjeskabel. Ik heb één keer problemen gehad met een Epson scanner die gemiddeld bij één op de tien in te scannen pagina’s bleef hangen. Nadat ik de korte USB kabel had vervangen door een langer exemplaar dat ik bij een gespecialiseerde winkel gekocht had heb ik deze problemen nooit meer gehad. Het probleem zat niet in de kabellengte, maar in de kabelkwaliteit. Mijn inschatting is dat wat mensen vaak driver bugs of Windows problemen noemen in feite vaak problemen zijn die veroorzaakt zijn door goedkope kabels in of buiten de computer.
Hoe omzeilen we de USB kabellengte beperking
Moderne computers zijn vaak voorzien van 6 of 8 USB poorten waarbij elk apparaat direct met zijn eigen kabel op de computer aangesloten kan worden. Toen USB net uitgebracht was waren de meeste computers slechts voorzien van 2 USB aansluitingen en wanneer je meer apparaten op een computer wilde aansluiten moest er gebruik gemaakt worden van een USB hub. Een hub is feitelijk niets meer dan een tussenkastje dat zich bevindt tussen de computer en één of meer randapparaten en dat het USB signaal herhaalt en eventueel splitst, vaak met zijn eigen voeding. Het mooie is dat de maximale USB kabellengte slechts geldt voor elk afzonderlijk kabelsegment in het systeem, niet voor de totale kabellengte tussen de computer en het randapparaat. Wanneer er één USB hub wordt toegepast verdubbelt daardoor de maximale afstand tussen computer en randapparaat tot 10 meter omdat 5 meter is toegestaan tussen de computer en de hub, en nog eens 5 meter vanaf de hub naar het randapparaat.
En we zijn nog niet klaar. De USB standaard staat maximaal 5 hubs toe tussen en computer en een ander apparaat. Wanneer we kabels gebruiken die elk 5 meter lang zijn geeft dit een totale kabellengte tussen de computer en het apparaat van 30 meter terwijl we de regels blijven respecteren. Het is echter wel zinvol na te denken of in zo’n situatie een eenvoudig op ethernet gebasseerd lokaal netwerk of een draadloze dataverbinding niet eenvoudiger en goedkoper was geweest om aan te leggen dan een USB netwerk met vijf hubs en zes verbindingskabels.
Houd wel in het achterhoofd dat de verlenging tot 30 meter alleen werkt met apparatuur die op hoge snelheid communiceert volgens de USB 2.0 specificatie. USB 1.1 apparatuur is beperkt tot 6 maal 3 meter wat nog steeds 18 meter is.
|
Circumstances can force a generalized incompetent to become competent,
at least in a specialized field.
FREEMAN'S RULE
|