Full-speed veza ostvaruje se pomoću STP kabla s diferencijalnom impedancijom
90 W ±15%, zajedničkom impedancijom 30
W ±30%, te maksimalnim kašnjenjem (propagacijom
kroz kabel) od 26 ns u jednom smjeru. Full-speed driver koji ne podržava high-speed
mora imati impedanciju svakog drivera između 28 i 44 ., a ukoliko je full-speed
driver dio transceivera koji podržava i high-speed, impedancija svakog drivera
mora iznositi između
40,5 i 49,5 . Kod CMOS implementacije drivera (slika 11.) potreban iznos impedancije
postiže se dodavanjem serijskih otpornika RS. Na slici 12. prikazani su oblici
signala kod full-speed prijenosa.
Slika 11. CMOS full-speed driver
Slika 12. Oblik full-speed signala
Kod low-speed prijenosa, kombinacija kabla i uređaja ne smije davati ukupni kapacitet manji od 200 pF ili veći od 450 pF na D+ i D- linijama. Vrijeme propagacije kroz kabel mora biti manje od 18ns, kako bi do refleksije došlo tijekom prve polovice porasta/pada signala.
Zahtjevi na diferencijalnu i zajedničku impedanciju, te na vrijeme propagacije isti su kao i na full-speed driver. D+ i D- linije na štampanoj pločici između transceivera i konektora također moraju imati diferencijalnu impedanciju 90 , te mogu dodati još 4 ns kašnjenja. Diferencijalna izlazna impedancija high-speed drivera mora iznositi 90 W ±10%. Kada je jedna od linija D+ i D- u visokom stanju, VHSOH (high-speed visoki izlazni napon na podatkovnoj liniji s 45 pull-down otpornikom) mora iznositi 400 mV ±10%, a VHSOL 0 V ±10 mV. Na izlazu između D+ i D- linija i mase trebaju biti spojeni pull-down otpornici 15k ±10%. Upstream portovi smiju koristiti isključivo low-speed driver, full-speed driver ili full/high-speed driver. USB 2.0 upstream portovi moraju koristiti full/high-speed drivere koji omogućuju i low-speed prijenos.
Za USB signal mora se koristiti diferencijalni prijemnik s ulaznom osjetljivošću od najmanje 200 mV za ulazni raspon od 0,8 do 2,5 V za svaku liniju u odnosu na uzemljenje. Također mora postojati i asimetrični prijemnik za svaku podatkovnu liniju s pragovima na 0,8 V (VIL) i 2 V (VIH).
High-speed prijemnik mora imati sve karakteristike low/full-speed prijemnika za rad na low/full-speed brzini prijenosa. Osim toga, high-speed receiver sadrži detektor envelope kako bi pratio prijenos. Detektor envelope mora identificirati squelch situaciju kada diferencijalni napon padne ispod 100 mV, odnosno mora deaktivirati squelch stanje kada taj napon pređe 150 mV. Također, detektor envelope mora identificirati high-speed prag isključenja(ukoliko diferencijalni signal padne ispod 525 mV, prag nije prijeđen, a ukoliko amplituda diferencijalnog signala pređe 625 mV, prag je prijeđen).
Zaključenja low- i full-speed uređaja prikazana su na slikama 13. i 14. Low-speed uređaji su zaključeni na upstream kraju pull-up otpornikom (1,5kW ± 5%) prema 3,3 V napajanju na D- liniji, a full-speed na D+ liniji, dok su na downstream strani hosta/huba strani obje linije zaključene pull-down otpornicima od 15kW ±10%. Zaključenje mora omogućiti dizanje podatkovnih linija od 0 V na VIHmin za 2,5 µs.
High-speed uređaji inicijalno se spajaju kao full-speed uređaji (dakle, moraju imati pull-up otpornik na D+ liniji), a nakon toga protokolom uspostavljaju high-speed vezu.
Slika 13. i 14. Zaključenja
Nivoi signala prikazani su u tablici 1. U prvom stupcu dan je opis stanja sabirnice.
Izvor signala mora zadovoljiti karakteristike dane u drugom stupcu, a primatelj
signala mora identificirati stanje sabirnice ukoliko primi signale specificirane
u trećem stupcu.
Tablica 1. Nivoi signala
J i K stanja su logičke razine koje služe za komunikaciju s diferencijalnim podacima. Diferencijalna signalizacija očitava se od trenutka kada se signali u signalnim linijama preklope, bez obzira na naponski nivo na kojem dođe do preklapanja, dok god je taj nivo unutar propisanog područja. J i K stanja za low- i full-speed su inverzna.
Ulazne impedancije D+ i D- linija bez zaključenja trebaju biti veće od 300k. Ulazni kapacitet mjeri se na pinovima konektora, i može biti različit za upstream i downstream portove. Za downstream port taj kapacitet može iznositi najviše 150 pF, a za upstream port 100 pF na D+ ili D- liniji. Mora biti ispunjen zahtjev za vrijeme porasta D linija od 0 V na VIHmin za 2,5 µs. U slučaju potrebe, mogu se dodati kondenzatori prema slici 15.
Slika 15. Dodatni kondenzatori
High-speed uređaj mora imati DC teret od 45 nominalne vrijednosti spojen prema masi, a ukupna impedancija mora iznositi između 40,5 i 49,5 . AC specifikacije ulaza high-speed uređaja izražavaju se kroz rezultate diferencijalnog TDR (time domain reflectometer) mjerenja.
USB koristi NRZI (non return to zero) kodiranje podataka.''Jedinica'' je prikazana
nepostojanjem promjene napona, a "nula" promjenom naponske razine,
kao što je prikazano na slici 16.
Slika 16. NRZI kodiranje
Kako bi se osigurali potrebni prijelazi u signalu, pošiljatelj prije NRZI kodiranja provodi umetanje bitova. Nakon 6 zastopnih jedinica u toku podataka umeće se nula, kako bi se omogućila promjena u NRZI toku podataka. Time primatelj dobiva promjenu najmanje svakih sedam bitova, čime se osigurava sinkronizacija podataka i takta. Bit stuffing prikazan je na slici 17.
Slika 17. Bit stuffing
Snaga koju daju izvori, odnosno primaju potrošači u USB sustavu, izražava se
pojmom jediničnog tereta (unit load) koji odgovara struji od 100 mA. Broj jediničnih
tereta kojim je opisano napajanje pojedinog uređaja, predstavlja maksimalnu,
a ne prosječnu struju koju može ''vući'' Uređaji s potrošnjom od jednog jediničnog
tereta su uređaji niske potrošnje (low-power), a uređaji potrošnje do 5 jediničnih
tereta su uređaji visoke potrošnje(high power). Prelaskom iz low-power u high-power
režim rada kod high-power uređaja upravlja softver. U USB sustavu razlikujemo
slijedeće izvore i potrošače energije:
Root hub je direktno spojen na host kontroler. Sustavi koji su spojeni na vanjski
izvor energije svakom portu na root hubu moraju osigurati 5 jediničnih tereta
(high-power portovi), a sustavi s baterijskim ili 5 ili 1 jedinični teret (low-power
portovi) po portu.
Hubovi sa sabirničkim napajanjem svu energiju uzimaju sa VBUS linije na hubovom
upstream portu; po uključenju smiju trošiti do jedan jedinični teret, a nakon
konfiguracije do pet jediničnih tereta. Struja se raspodijeljuje između huba,
internih funkcija i vanjskih portova, pri čemu vanjski portovi ne mogu pružiti
više od jednog jediničnog tereta, bez obzira na ostale portove tog huba.
Hubovi s vlastitim napajanjem struju za napajanje internih funkcija i downstream
portova ne uzimaju s VBUS-a (osim dozvoljenog jednog jediničnog tereta za potrebe
rada sučelja huba i USB-a kada je hub isključen), već iz vanjskog izvora, te
osiguravaju napajanje od 5 jediničnih tereta po portu, osim ukoliko se ne radi
o baterijskom napajanju.
Low-power i high-power funkcije sa sabirničkim napajanjem napajaju se s VBUS
linije. Funkcije s vlastitim napajanjem smiju trošiti jedan jedinični teret
s VBUS linije kako bi radilo sučelje USB-a i funkcije kada je ostatak uređaja
isključen. Nijedan uređaj se ne smije ponašati kao izvor napajanja na svojim
upstream portovima; s upstream portova uređaj smije isključivo ''vući'' struju.
Kada VBUS linija nije priključena, uređaji ne smiju dovoditi napajanje pull-up
otpornicima na D+/D- linijama; napajanje mora biti isključeno najkasnije 10
sekundi po isključenju VBUS-a. Host i hubovi s vlastitim napajanjem moraju imati
prekostrujnu zaštitu, a hub mora moći detektirati prekomjernu struju i to dojaviti
USB softveru. U slučaju prekomjerne struje, prekostrujna zaštita mora isključiti
ili smanjiti napajanje na pogođenim downstream portovima. Maksimalna struja
koju se može odrediti kao prag aktivacije prekostrujne zaštite iznosi 5 A, a
ne mora biti veća od prijelaznih struja koje se javljaju kod uključenja, rekonfiguracije,
ili uključenja u radu).
Napon na low-powered portovima iznosi 4,4 do 5,25 V, a na high-powered portovima
4,75 do 5,25 V. Najveći pad napona na hubu s vlastitim napajanjem smije iznositi
350 mV, na kablu 125 mV, a na svim GND kablovima 125 mV. Najgori slučaj prikazan
je na slici 18.
Slika 18. Najgori slučaj opterećenja
Prilikom uključenja uređaja, dolazi do nabijanja različitih kapaciteta između
mase i VBUS-a, čime se napon na VBUS-u može povući ispod praga normalnog rada.
Do slične situacije može doći i prilikom prijelaza iz low-power i high-power
način rada. Kako ne bi došlo do tih situacija, ulazna struja napajanja mora
se ograničiti. Signalni pinovi zaštićeni su tako da prilikom ukapčanja uređaja,
kontakt stvaraju prvo vodovi napajanja, a potom signalni vodovi (signalni kontakt
u konektoru uvučeniji je od kontakta napajanja). Prilikom odspajanja uređaja
u radu (dinamički detach), induktivitet kabla uzrokovat će nedestruktivni porast
napona, šum frekvencija do 60 MHz za 1-metarski kabel. Kako bi se izbjegla refleksija,
na konektore hubovih portova spaja se odgovarajuća impedancija.