USB线缆长度限制及原因分析
USB线缆是一种方便的连接方式，用于将外围设备和设备连接到电脑。然而，线缆的长度会直接影响数据传输的质量。存在诸多因素限制了USB线缆的长度和数据传输速率。
USB标准与最大长度
很多人都有过这样的经历：需要将USB设备连接到计算机或其他设备，却发现设备都无法移动，而唯一的有线连接方式就是USB线缆。但我们家或办公室的USB线缆长度总是有限的。这是什么原因？为什么USB线缆的长度会受到限制？它们最长可以有多长？
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这很大程度上归功于USB实施者论坛(USB-IF)，该组织负责在全球范围内制定和实施USB标准。你可能会认为，每一代USB都应该在更长的距离上具有更佳的数据传输速率，但事实恰恰相反。USB线缆越长，信号衰减的可能性就越高。
USB实施者论坛(USB-IF)定义了不同USB标准的最大线缆长度：
| USB类型 | 米 | 英尺 |
| USB 1.0/1.1 | 5 | 16 |
| USB 2.0 | 5 | 16 |
| USB 3.0 | 3 | 9 |
| USB 3.1 Gen 1 | 3 | 9 |
| USB 3.1 Gen 2 | 3 | 9 |
| USB 3.2 Gen 1×1 | 3 | 9 |
| USB 3.2 Gen 2×1 | 3 | 9 |
| USB 3.2 Gen 2×2 | 3 | 9 |
| USB 4 | 0.8 | 2.6 |
总的来说，随着USB技术的发展，数据传输速度从USB 1.0的低速(1.5Mbps)发展到USB 4的快速80/120Gbps，最大线缆长度逐渐缩短。这主要是为了在越来越高的速度下保持信号的完整性。此外，你还需要考虑使用的是哪种类型的USB线缆。
限制USB线缆长度的因素
有几个技术因素限制了USB线缆的长度：
- 信号衰减：所有电缆都像低通滤波器一样，会衰减高频信号分量。在USB 3.x速度下，信号包含高达数GHz的高频分量，这些分量会随着传输距离的增加而衰减。这种失真表现为干扰、数据错误以及较低的最大数据传输速率。
- 信号干扰：较长的线缆更容易受到电磁干扰，就像天线一样，会接收附近组件的噪声，从而损坏并扭曲USB信号。适当的屏蔽可以帮助减轻这个问题。
- 供电：细的USB线缆每单位长度都有一定的电阻。在长距离传输中，由于USB-C线缆可以实现高功率传输，这种电阻会导致电压下降。这会影响连接设备的稳定电源供应。
- 时序：线缆中的传播延迟意味着USB信号的时序与其源相比可能会发生漂移和抖动，这会扭曲信号眼图和时钟恢复，可能导致数据错误或设备握手失败。
考虑到上述因素，USB-IF针对较慢速度的标准选择了3到5米，而最快的超高速信号则仅适用于1米线缆传输，以确保性能。
使用更长的USB线缆
尽管USB规范提供了建议的最大长度，但仍然可以使用更长的USB线缆。有多种方法可以延长USB线缆的长度，或者信号或数据必须通过多根线缆传输的距离。
例如，由于1.5Mbps信号速率较慢，低速设备(USB 1.x)可以在较长的线缆上正常工作。这并不是必然的，它与线缆质量和其他因素有关，但这种情况可能会发生。 此外，您还可以使用带有内置中继器的有源线缆，它可以重新生成和恢复长达15-20米的USB信号。关于有源USB线缆的更多信息如下，与此同时，您可能还需要考虑USB-C的速度。
如果单根USB线缆无法到达所需位置，且你又不想选择使用有源USB线缆，那么你可以使用USB延长器。USB延长器将连接分成两个线缆段，中间有一个放大器来增强和修复信号。这可以实现10米或更远的运行距离，具体取决于产品质量，但你可能需要多个延长器或继电器才能覆盖更远的距离。你还可以使用USB集线器作为多段连接的中点中继器。集线器可以重新生成信号，从而实现更长的总线缆长度。
但是，在使用更长的USB线缆时还需要考虑其他因素。
具有适当阻抗匹配、屏蔽和较粗电源线的“优质”USB线缆可以在较长距离内更好地保持信号完整性。此外，USB光纤线缆使用光而不是电信号来传输数据。这消除了长度限制，但需要适配器连接到设备，因此成本更高。
您应该使用有源USB线缆吗？
有源USB线缆是将USB连接延伸到标准线缆长度之外的一种选择。有源USB线缆比普通（无源）线缆成本更高，因为它带有额外的组件来帮助增强和维持信号。
通常，有源USB线缆会包含一个信号中继器，使信号能够传输得更远而不会降低信号质量。然而，有源USB线缆需要电源，这通常来自主机设备（例如你的计算机），也可以来自带有USB适配器插头或类似插头的电源插座。
有源USB线缆更常与较新的USB规范（例如USB 3.x）一起使用，以确保在较远距离上实现最大的数据吞吐量。因此，优质的有源USB线缆可以可靠地传输数据长达20米。
长USB线缆的潜在问题
尽管USB非常灵活，但每条线缆都有性能权衡。了解线缆长度的影响有助于解释问题，并在购买和连接USB设备时做出明智的选择。
使用较长的USB线缆通常是一个可行的选择，但你可能会遇到一些问题。
数据速率和性能问题是与长USB线缆相关的最常见问题。例如，一根三米长的USB 3.2 Gen 2×2线缆可能只能可靠地支持10Gbps，而使用长度超过一米的USB4线缆几乎肯定会遇到数据传输速率问题（需要明确的是，USB4和USB-C并不是同一回事！）。
根据USB线缆的长度和USB规范，你可能会发现某些设备和服务无法正常工作，而且纠错带来的带宽开销也可能会影响性能。
此外，还有通过USB供电的问题。简而言之，如果USB线缆太长，并且无法从主机设备获得所需的电力，某些设备将根本无法工作。
使用合适长度的USB线缆来完成工作
一旦你了解USB线缆的最大长度，就可以更好地规划你的硬件布局，无需购买中继器、有源USB线缆、USB集线器或其他设备。尽管如此，有时使用长USB线缆是不可避免的，但至少你会知道在不造成信号或数据丢失的情况下，可以将它推到多远。