1394介面絕地大反攻 以塑膠光纖及無線傳輸瞄準家庭網路

2006-07-21
隨插即用的IEEE1394介面曾經風光一時,卻被USB奪走大片江山。然而USB陣營近期動作越發積極。日本業者試圖使用塑膠光纖,使1394成為家庭網路的骨幹匯流排。NEC也試作了利用60GHz頻段的無線1394系統,傳輸速度可達400Mbit/s,可用以傳輸影音多媒體訊號。
隨插即用的IEEE1394介面曾經風光一時,卻被USB奪走大片江山。然而USB陣營近期動作越發積極。日本業者試圖使用塑膠光纖,使1394成為家庭網路的骨幹匯流排。NEC也試作了利用60GHz頻段的無線1394系統,傳輸速度可達400Mbit/s,可用以傳輸影音多媒體訊號。  

鑽研電子技術者往往必須面對兩種風險,其一是經常影響技術發展的政治風險,其二是技術本身的風險。前者影響因素甚多,難以捉摸;後者就單純許多。  

以政治風險而言,IEEE1394介面就是鮮活的例子。在80年代,蘋果電腦率先導入SCSI介面之後,發覺隨插即用(Plug & Play)才能夠滿足消費者,於是導入1394開發專案,試圖沿用SCSI原有的上層軟體資產。90年代初期,晶片開發完成,到了90年代後期,英特爾的產品藍圖開始將慢速裝置導向USB介面,而高速周邊則走向1394介面。  

但是以現在情況來看,1394的發展卻不如人意,理由很簡單,就是1394收取權利金。也因此英特爾政策轉向,在高速周邊介面改採USB 2.0規格。因為USB是不收權利金的。  

那麼,什麼是技術風險?這與數位技術的發展大有關係。資訊世代的遊戲規則就是贏者全拿,制定遊戲規則者享有最大利益,跟隨者利潤微薄。於是業者想盡辦法主導特定的核心規範,例如數位音樂播放格式繁多,就是基於此一原因。從技術風險的觀念來觀察無線通訊技術,藍芽與802.11x兩者迥然不同的命運,也是一個實例。  

因此,埋首實驗室的工程人員,也必須有風險管理概念,慎選鑽研領域。用此一觀念再來觀察1394介面的策略定位,更有助於了解技術風險的意涵。  

雖然USB 2.0規範給予1394沈重打擊,搶走大片市場,但是1394的確是相當優良的介面技術,當初新力(Sony)、微軟與蘋果電腦看好1394的前景,確實有其根據。  

1394陣營醞釀反撲  

在2000年,日本電子機械工業協會(EIAJ)針對家庭網路提出「住宅情報系統共通基盤整備推進事業」國家計畫,試圖使用廉價的塑膠光纖(Plastic Optical Fiber, POF)架設在1394介面之上,作為房間之間的長距離傳送之用。也就是使1394成為家庭網路的骨幹匯流排,可將攝影機、D-VHS、數位機上盒與個人電腦之間串接成一個網路。  

若依照IEEE1394的規範,使用一般銅質連接線的連接距離,最長也僅有4.5公尺,難以滿足家庭網路需求。因此,日本電子機械工業協會提出的POF光纖與無線傳送方案是可行的,根據當時的實機展示,POF的傳輸距離確實可超過50公尺。支持1394作為家庭網路介面的業者,也制定了IP Over 1394規格,採用網際網路通訊協定(Internet Protocol, IP)作為家庭網路核心。  

即使1394陣營態度如此積極,目前1394介面的發展尚未有明顯起色,殊為可惜。但是趨勢是1394陣營仍未放棄,進軍家庭網路市場的企圖心異常旺盛。本文舉出兩個例證,皆是衍生自1394的傳輸方式,雖然皆非官方組織正式認可的國際標準規範,卻有不少可取之處,發展前景值得看好。  

新力與夏普力推OP i.Link  

IEEE1394運用在實際產品時,出現了不同名稱,蘋果電腦以火線(FireWire)來稱呼1394,而新力卻稱之為i.Link,微軟則依然稱之為1394。  

新力與夏普在2000年提出一個新理念,由於塑膠光纖技術成熟進入量產,價格相對便宜。同時,CD隨身聽附有的光纖迷你插座(Optical Mini Jack, OMJ)端子,多年來已通過市場考驗,獲得消費者接納。若將兩者結合,並架構在IEEE1394a之下,結合兩者優點,可實現高速傳輸,以及長達10公尺的傳送距離,這就是OP i.Link出現的時空背景。  

OP i.Link規格如表1,固然改用光訊號傳送資料,會增加收發器元件成本,但系統整體成本不見得會增加。首先,電磁干擾對策費用可以減少,實體層與連結層之間的隔離電路也可省略。  

同時,在IEEE1393a-2000規範中,所有機器之間的接地訊號是採直流接續方式,當機器間基準電位不同的時候,實體層、連結層與其他電路的電源要予以分離處理,分離電路也需大約70個阻抗與40個電容器等元件。一旦使用光纖,這些元件都可以省略。因此,可以消除費用增加的疑慮。  

反之,OP i.Link容易讓人困惑的是1394b有長距離與高速版本,也有使用塑膠光纖作為傳輸媒介的規格。那麼兩者是否會產生衝突?這的確是惱人的問題,也唯有從規格面釐清差異性,才能理解新力與夏普為何另闢這個新規格。  

1394b的塑膠光纖傳輸媒介規格,最長傳送距離可達50公尺,完全符合長距離應用,可是家庭網路根本不需要如此寬裕的長度。再者,1394b的塑膠光纖資料速度限制在200Mbit/s,採用兩蕊的SMI或PN型連接器,對使用者而言也比較陌生。相較之下,使用單蕊塑膠光纖的OP i.Link優勢自然顯現。  

OMJ市場基礎龐大  

早在1992年MD上市之後,新力與夏普就針對MD機器的數位訊號輸出入用途,開發使用塑膠光纖的OMJ連接器,並大量投入市場,許多CD隨身聽、MD隨身聽都採用OMJ。之後,可攜式DVD播放器與杜比數位輸出入介面也採納OMJ,估計市場規模超過一億個。如今新力與夏普發展OP i.Link,就是基於此一龐大的市場基礎。  

OP i.Link連接器可同時兼用光訊號與電氣訊號的傳送,在接頭端有判別功能,能夠自動切換。比起兩蕊的SMI型或PN型連接器,單蕊的迷你插座(Mini Jack)在使用上也較容易。迷你插座的直徑有三種,分別是2.5毫米、3.5毫米、3.6毫米(圖1)。其中CD隨身聽、攝影機等可攜式影音機器以3.5毫米為主流,2.5毫米主要應用於手機,3.6毫米端子則針對放置在音響櫃的機器,由於是在機身後方連接,因此特別設計鎖定功能,防止被輕易拔除。  

新力與夏普規畫OP i.Link之初,就已設定發光二極體(LED)與半導體雷射能夠相互通訊(圖2、3)。使用LED的好處就是整體製造費用比較低,缺點則是調變頻段較小,因此要提高資料傳送速率也相對困難。半導體雷射則恰巧相反,容易提高資料傳送速率,光發收器成本卻較高。因此,使用LED的資料傳送速率設定在100Mbit/s,半導體雷射則可達到200Mbit/s、400Mbit/s。  

1394從起始節點到終點節點,可以經過多重跳躍,稱為「跳躍數(Hop)」。一般而言,實體層的延遲與連接線長度就決定了該介面最多的跳躍數,IEEE1394-1995的跳躍數為16。  

考量跳躍數與直流平衡問題,OP i.Link採用全雙工與8b/10b編碼方式。也就是說,1394b編碼方式與1394a不同。  

但是,使用單蕊塑膠光纖全雙工的光通訊,勢必要面對光串音(Crosstalk)的問題,也就是光模組收發器的光輸出,可能因為反射,而入射到自己的受光元件(Photo Diode),導致資料傳送位元錯誤率(BER)惡化。為了克服這個問題,OP i.Link規定了接收光大小振幅A與高斯分布雜訊σ的比例(A/σ)必須大於19。經過實際模擬,確定接收光與光串音之比必須在6dB以上。  

為了顧及1394規格,OP i.Link必須另外設計插拔感測方式與匯流排管理軟體層,而讓規格變得更複雜。如果採用一對一的連接方式,就可免除分享式匯流排的眾多細節考量,讓介面單純化,不僅速度更快,也會更便宜易用。  

無線1394瞄準家庭網路  

探討無線傳輸時,大致局限在2.4GHz、5GHz與60GHz頻段。既然不少廠商將1394瞄準家庭網路,那麼房間與房間之間的通訊,穿透牆壁的無線傳輸想必最受歡迎。  

無線通訊有兩種型態,其一是固定網路,其二即是移動網路。NEC在2000年展示60GHz的無線1394系統,試作了速度可達400Mbit/s的無線重複器(Repeater)(圖4)。  

無線1394的具體實現,通常是使用橋接(Bridge)技術與重複器(又稱為訊號加強器、增益器、復頻器、中繼器)技術。連接型態又有一對一(Point to Point)或多對多(Multipoint to Multipoint)等不同方式。由此可以推演,無線1394的實現型態有三種:一對一型的重複器無線接續、一對一型的橋接器無線接續,以及多對多型的橋接器無線接續。  

NEC資料指出,利用60GHz的重複器傳輸技術,是將1394b長距離規格的實體層傳輸媒體予以無線化,如此的機器構成將會比較簡易。傳送方法是點對點的全雙工串列傳送方式。  

根據NEC表示,2.4GHz與5GHz頻段比較不適合重複器的應用,反而適用於橋接。做法相當簡易,1394的資料交易層與連接層之間,可以加上無線介面的資料連結層作為橋接之用。橋接的應用可以是點對點或多點對多點的接續,又要顧及服務品質(QoS)的維護,因此選擇具有QoS保證之媒體存取控制(MAC)層的大型積體電路(LSI)是必要的。  

無線1394與其他無線通訊一樣,都必須面對反射問題。原因就在於反射率高的障礙物會讓無線收發器接收到自己送出的訊號,使得匯流排的初始化產生問題,解決方法之一就是在BetaPort連接埠上內建「反射檢測功能」。如果使用毫米波,僅須更改傳送波與接收波頻率,混入接收訊號的反射訊號只須透過濾波器就可去除。  

NEC的重複器試作機使用針對1394b規格開發的μPD72880實體層LSI,並開發22dB增益的平面陣列天線,建構一個60GHz頻段的無線收發器模組。該模組採用多層玻璃陶瓷基板,低雜訊放大器(LNA)、功率放大器(PA)傳送與接收混頻器等微波單石積體電路(MMIC)採用覆晶封裝方式,製程則是砷化鎵(GaAs)技術。  

經過實驗證實,此一試作機達成了S400規範的400Mbit/s資料傳送速度,設定傳送功率+7dBm,接收靈敏度在BER為10~12的情況下約為-47dBm。再觀看該試作機外型,14公分×18公分×8公分的體積實在太大,原因是內部電源電路過於龐大,若要商品化,必須改成單一電源。  

平面天線決定產品體積  

但是,真正決定產品體積的關鍵因素其實是平面天線。該試作機使用兩枚7公分×5公分的平面陣列天線。如果是木質牆壁,通訊距離大約12公尺,若是要延長通訊距離,就必須採用增益更高的天線,例如號角天線(Horn Antenna)大約可傳送35公尺。  

反射檢測功能內建在μPD72880,具備一組傳統DS Link方式連接埠,並兼具一個1394b長距離用的Beta Mode連接埠。一般所稱的實體媒體附著(PMA)領域就是要擔任反射檢測功能、高速8b/10b編碼解碼,以及降低電磁輻射的資料擾亂(Scramble)功能。時脈及資料回復(Clock/Data Recovery)電路部分,即是要再生500Mbit/s時脈訊號。  

經過實驗確認,DV攝影機的影像資料與IP封包化的MPEG-1影像資料,可完成同時雙向通訊。若考量產品化的大量生產,毫米波傳送模組的費用就占掉重複器的一半。如何將此種高頻裝置作到低價化,將是一大關鍵。  

NEC研究團隊使用同樣的毫米波技術,也做出千兆乙太網路的無線傳輸,並指出適用於1.485Gbit/s高畫質序列資料介面(HDSDI)的無線傳送。由此可知,HDTV高畫質影像傳輸可使用毫米波來實現。  

1394的勁敵USB挾著龐大裝機數量規模,也已訂出無線USB規格,底層且採用熱門的超寬頻(UWB)。誰能勝出,值得密切觀察。  

(詳細圖表請見新通訊元件雜誌66期8月號)  

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