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谁刚毕业时不是穷得铃儿响叮当?我当年囊中羞涩,买了一个没有蓝牙功能的山寨游戏手柄。为了把它接到电视旁的电脑上打游戏,我需要一根很长很长的 micro-USB 线......
结果发现根本买不到~
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人家网线随便就能买到几十米的,你就不能把线加长点吗?这有什么难的?你不卖算了,大不了我用延长线硬接过去!
但在采取行动之前,我还是决定先研究一下:把线做长真的很难吗?
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结果发现,原来线材背后隐藏着许多门道,并不是想加长就能加长的。为什么呢?
从这个问题开始,我们得以进入线材的世界~
视频版
↓↓ 看完这个视频就知道了 ↓↓
↑↑ 信我,真的超级好看 ↑↑
图文版
把 USB 线做长,最容易想到的问题是:电阻。
USB 线内部基本都是铜线。上过中学的朋友都知道,导线越细、越长,电阻越大,回到这接收端供电不足。
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但这个问题很好解决啊:大力出奇迹,换成更粗的线不就行了?大不了改装成这样:
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确实,如果只是要远距离供电的话,网上一些加粗的 USB 线就能实现。
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但打游戏、连设备时,USB 线不光要供电,还得传数据啊。这才是真正的难点:
我当时脑子里的数据线,就如同一根水管:数据像水从一头流进去,再从另一头流出来,这不就完事儿了?
其实,完全不是这样......
USB、HDMI 等铜线,主要是通过两根信号线间电压差异的变化,来传递信息的。
可以想象一个极其简化的例子:假如它要发送 010101,那就可以用高电压代表 1,低电压代表 0,不断变化。接收端只要把这些电压变化,再解码成二进制数据,信息就传过去了。
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而所有信号在长距离传输时,都要面对两个问题:延迟,和电压波形变化。
那 USB 线是怎么处理的呢?这就要看看它的诞生背景了~
20 世纪 90 年代末,世界处于阴暗混沌之中:电脑接口五花八门,互不兼容,插拔设备甚至要重启电脑。
英特尔们说:要有一种通用、支持热插拔、体积又小的接口。
于是,就有了USB。
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USB 最初面向各种桌面设备,不需要很长的线。那到底能做多长呢?这跟它的传输速度有关。
英特尔工程师给 USB 1.0 规划的最高传输速度是 12Mbps,相当于每秒传 1.5MB 数据——相对应地,就是发射端需要每隔 83.3ns 就发送一个比特。
由于当年一些电气设计方面的问题,发射出的信号到达接收端后还会反射回来,必须等它不会干扰后面的信号后,才能发下一个信号。再扣除掉信号切换的时间、两端接口电路板所需要的时间等,最后留给外部线缆传输的时间不能超过 26ns。
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在铜线中,电信号传播速度大约为 2×10^8 m/s,所以最终数据线的长度不能超过 5 米——这个限制,明确写进了 USB 1.0 的协议里。
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而低速线的长度甚至更低:这是为了进一步降低线材成本,适配鼠标等低速设备,快速推广新接口~
再往后,最长 5 米的标准就变成了一个像“两匹马的屁股宽度” 一样的存在,决定了 “铁轨”的规格:
英特尔们在设计 USB 接口时,就希望它是一个向后兼容的协议,所以USB 2.0 仍保留了“线长 5 米”的要求。如果非要加长,就可能无法满足协议规范。
比如 USB 2.0 是半双工传输:意思就是说发射端和接收端只能轮流发射信号,不能同时传输。而许多事务又要求设备必须在规定时间内返回数据或握手。
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像电脑向 USB 2.0 的 U 盘传输数据时,U 盘需要在规定时间内回复 “收到了”;如果线材太长,回复来得太晚,就会判定为传输失败~
当然,如果你非要问:自己做一根长线,真的就不能用吗?
也能用,但不完全能用。
比如柴司策划小卡上学时做过一次活动。当时台上的演讲人要用翻页笔控制 PPT,而播放 PPT 的控制台电脑离讲台有几十米。他们情急之下,剪断了一根 USB 延长线,把两端分别接在一根超长网线的两端,手搓出了一根近百米长的“USB 延长线”,连接了电脑和翻页笔,居然也把整场活动顺利办完了......
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类似的案例还有很多:不少人拿手搓的超长 USB 线连接摄像头、U 盘、打印机等设备,有人成功,有人失败。总之就是能用,但不完全能用。
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为啥呢?
因为长距离传输不光有延迟,还要解决信号质量问题。
我们刚才说过,USB 线是通过两根信号线之间不断变化的电压差来传递数据的。而信号在铜线中传输时,可能受到其他线路和外界电磁波的干扰;随着距离变长,信号还会逐渐衰减和失真。
你发过去的时候,数字信号的波形长这样;等到达接收端之后,它可能就变成这样了。
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而且传输速度越快,就意味着信号频率更高,也就是 0 和 1 的交替变化越来越快;同时接收端也要在更短的时间内,判断传来的信号是 0 是 1,所以对信号质量的要求也越高。
而信号频率越高,衰减和损耗越大。信号幅度变弱、边沿变缓,多个比特相互干扰,都会大幅提高误码率——这时候就算强行把线接上了,也不一定能正常工作。
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所以等 USB 传输速度更快之后,虽然采用了更先进的编码,加上了更好的屏蔽层,还在收发信号时预先做了处理,但常见的 USB 3 数据线仍然只有 2–3 米长,更快的 USB 3.2 和 USB 4 数据线,可能只有 0.5–2 米。
而且不光是 USB ,其他用铜线的高速数据线也一样。做长不光价格贵,性能还可能要下降。
像这套 HDMI 线,3 米以内最高支持 HDMI 2.0 协议,可以传输 4K 60Hz 视频;
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拉长到 5 米以上,即使换用更粗的铜导线,加装信号放大器,就只能传 4K 30Hz 视频;
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如果再加长到 30–50 米,就只能传 1080P 视频了。
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但这时就一定会有朋友像我开头那样发出疑问了:
啊那网线传输速度也快啊,人家怎么就能做到 100 米长,从单元楼入口一直拉到家里呢?
确实,但这是因为上网对延迟要求更低,又因为要上楼入户,所以一开始就以百米的长度作为目标,设计了更粗的线材,能容纳 4 对双绞线,还做了更强的屏蔽,用了更强的 DSP(数字信号处理器)等。
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USB 线如果为了做长,在价格、粗细、延迟等方面做出这么多牺牲,那用户就不能接受了。
由于当年设计时就没考虑我这种奇葩需求,所以我买不到 10 米长的 USB 线来连山寨手柄很正常,只能说是穷酸的后果,要认命~
但是!假如我偏不认呢?我就是不在乎什么延迟,粗细,我就是要搞一根超长 USB 线!有办法吗?
有的,朋友~
但像我当年想的那样,用这种便宜USB 延长线一个套一个接出去是不行的......
因为这种延长线的内部只有铜线,相当于把几根线硬合成一根更长的线,根本没法儿保证信号质量。而且它们用的铜导线还没有常见的网线粗,衰减更大,串起来还不如小卡他们用网线手搓的线~
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USB 协议中明确规定,这种延长线属于 “禁止使用的线缆组件”。你可以用,但很可能没用。
要搞稳定的超长 USB 线,必须能保证信号质量。USB 协议其实就提到过一种设备:集线器。
在设计 USB 协议时,英特尔的工程师也想到了用“一层套一层”的方式来扩展更多设备:比如主机只给键盘留一个接口,再把 USB 鼠标接到键盘上。
集线器不光有铜线,还有芯片,它会把上游信号接收下来,再重新生成新的 USB 信号发给下游端口,这样就能保证信号质量。
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当然也不能无限套娃:根据 USB 1.0 协议,设备和主机之间最多能够有5 个集线器。
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那该怎么分辨你手里的是集线器,还是普通延长线呢?很简单,把这玩意儿插到电脑上,如果“设备管理器”里出现了“通用 USB 集线器”之类的设备,一般就是集线器;什么反应都没有,那就是普通延长线。
除了集线器外,还有一种更优雅的解决方案:有源数据线。
所谓“有源”,意思就是说它跟集线器差不多,装了专门的电子信号处理芯片,可以重整信号,让它传得更远。
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比如当年苹果有根雷雳 3 数据线,就是靠里面的芯片放大信号,才实现了 2 米线长、40Gbps 的高速传输。仅需 900 多元就能把它带回家,赶快拿起手中的电话订购吧!
不过,铜线传输的损耗毕竟比较大。如果你真的要搞一根长达几十甚至上百米、又能稳定工作的 USB 线,这时就需要——
站在光里。
高频信号在光纤中衰减比铜导线小很多:高速铜缆 100 米就会出现 18-19dB 的损耗,而这种常见的光纤,每 1000 米衰减才 0.2dB。
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而且光纤传输的是被约束的光波,所以不会像铜线一样受到普通电磁噪声的干扰,可以做得更长。如果每隔几十公里放大一下,甚至能跨越大洋。
所以只要把 USB、HDMI 什么的和光纤结合一下......砰,就能得到“光纤版” USB。它们两端装有专用芯片,负责光电信号转换,能轻松做到上百米。仅需 800+,你就可以买到一根 100米的 USB 3.0 线,从家里直连一楼老王家的电脑——不过可能需要单独供电~
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OK,讲到这里,我开头的那些问题终于解决了:
为什么很难买到 10 米长的 USB 线?
因为数据线虽然看起来只是一根铜线,但设计时要考虑延迟、信号质量、成本等等因素,直接拉长是满足不了协议需求的,用不了。
但是!只要我真想的话,别说 10 米,100 米的 USB 线也能搞出来,无非是麻烦一点,多付点钱罢了~当年我还是吃了既没知识也有钱的亏~
只是有一个小问题:
如果要花 800 多买一根数据线,为啥我不直接买个能用蓝牙的正版手柄呢......
OK 感谢您看到这里,我们又从一个小疑问出发,了解了数据线背后的结构~数据线、接口、协议等等是一个非常迷惑的领域,我们之前已经做过几期内容,接下来,我们还会研究一下 HDMI 和 DP 的故事~文件夹已经新建好了,感兴趣的话可以点个关注,下期见!
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