漫谈斐讯K2T单Type-C线数据电源同传技术

如果斐讯一心一意靠产品发展的话,拿下中国民用网络设备领域的半壁江山应该不成问题,很可惜可能是由于斐讯自己操作不当,搞得现在半死不活了。作为斐讯一款全高通千兆方案的斐讯K2T,其采用Type-C接口单线模式,官方声称该数据电源同传技术拥有5项专利。既然难得入手一台K2T,也研究一下这些黑科技~

这些内容是我在购买之前依靠各方资料脑补出来的,作为一个非相关行业的人,我就单纯凭借我大一一年在ROBOMASTER这个比赛中学到的电路知识来梳理一下斐讯的这项技术,如有错误,希望您能联系指正,非常感谢。

图1. K2T的单线技术

什么是单Type-C线数据电源同传技术

这个名词是斐讯定义来的,即只通过一根Type-C线,承载3个千兆以太网接口+电源的传输。正如图1我们所看到的,整个路由器尾部只有一个Type-C接口,另外3个千兆以太网接口被扩展在了电源适配器上,这项设计最大的好处就是美化桌面,网线可以全部插在电源适配器上,桌子上只需要摆这一台仅有一根Type-C线的路由器,强迫症福音。

数据电源同传传输了什么

正如标题一样,同传传输了数据和电源,即:

  • 数据,3个千兆以太网的数据
  • 电源,经过电源适配器整流输出后的直流低压电源

以太网数据是什么亚子的

标题没有打错字,具体请bilibili雨女无瓜。

传统以太网物理层编码技术使用曼彻斯特(含差分)编码,每一位的中间存在一个跳变沿,既做时钟信号,又作数据信号。这一技术实现了时钟自同步,端对端无需再使用GND测量电平即可直接同步时钟信号,因此我们可以看到,网线的8根线全为数据线,并没有GND,而反观SPI、UART、I2C等这些标准,其数据传输同步时钟信号必须需要一根GND作为基础。

当今,在千兆以太网中, 8B/10B编码 [1] 被广泛使用。8比特的数据会被拆封成5比特、3比特两部分,前5比特使用6B编码,后3比特使用4B编码。假设需要发送一串数据“11011100 ”,由于最右侧为最低位,因此拆分后为“00111”和“011”,前五位“00111”使用5B/6B编码,后三位“011”使用3B/4B编码,这样一边能在数据流中包含控制代码,一边也能起到DC平衡作用,进而实现高精度的时钟同步和恢复 [2]。

数据传输介质

图2. K2T主控板Type-C部分-正面 [3]
图3. K2T主控板Type-C部分-背面 [4]

观察图3和图4后,不难看出,分别是独立的12根线。PCB正面12根+背面12根,刚好24根线,即3组以太网网线(8根*3)。为了证实这个猜测,我们可以再对比一下芯片的数据手册,这个交换芯片是高通的QCA8337-AL3C,鉴于该型号的Datasheet并没有找到,因此此处使用QCA8337N的数据手册来替补,理论上来说差别因该不会非常大。在特别对比了QCA8337-AL3C和QCA8337N的封装和引脚后,发现两个芯片相似度非常高,同QFN148封装,参考引脚定义应该问题不大。

图4. QCA8337N引脚定义 [5]

根据完整的图2可以定位出晶振那个角为1号引脚所在的位置,进而得到交换芯片侧边到Type-C处的引脚分别可以对应数据手册中A25-A42、B20-B38号引脚。

图4. 单独抠出来的引脚定义 [5]

如图4,我们已经可以看到,CH2、CH3、CH4三个接口的共24根线,细数PCB正面到交换机芯片的线,刚刚好也是12组,可以断定这个Type-C就是赤裸裸的网线。利用Type-C线的24个引脚承载3组以太网线路,说白了就是拿Type-C当三根网线用。

为什么能配合Type-C实现正反插

我想这个问题才是更多人关心的。

由于图片是各处搜集而来的,没办法精准确定蛇皮走线,本想把我的K2T拆了,刚拿起工具撬壳子一不小心手指挂彩了......撬棒什么的都在学校,再加上这台设备是为家里无线漫游用的,迫不得已,还是先拿网上的拆机图凑合看一下吧。

好吧网上的图完全看不清细节。在找出证据之前,我大概想到了如下两种正反插的原理:

  1. 两个LAN在Type-C引脚外侧,WAN在内侧,正反插只影响LAN口顺序,但是这两个口都在同一个交换机下,因此只是影响了交换机芯片中对应的端口而已。好吧我感觉我这个猜测比较离谱
  2. 这个猜测比较有说服力。众所周知,网线8根,4股双绞,线序类型可以分为交叉线和直连线。当交换机芯片支持自动翻转(AUTO MDI/MDIX)时,这两种线序可以混用。

那么总结上述第2点猜测,8股线,有4根(4,5,7,8号线)始终是处于直连,剩下4根可直连可交叉。我们来看一下Type-C 3.0接口的引脚定义,如下图5

图5. Type-C 3.1规范引脚定义 [6]

可以看到,A6 A7 B6 B7翻转后以然处于对应。整个Type-C的引脚类型都关于中心对称。电源和电源对应,GND和GND对应,数据线和数据线对应。

再参考一下Auto MDI/MDI-X,在10Base-T的线缆中,传输使用1236号,同时满足 an Ethernet crossover cable is needed to cross over the transmit and receive signals in the cable [7],即以太网交叉线需要反转R/T信号线。

图6. NIC MDI与MDI-X相连 [7]
图7. NIC MDI与MDI相连 [7]

如上图6和7,再结合上一段提到的反转的是R/T信号线,因此可以推断出Type-C中正反插是利用的R/T反转这一特性。由于手边没有机器拆开确认,网上搜到的图也不是很清晰(没法对照正反面电路),因此只能先停留在猜测阶段了,感兴趣的朋友可以查证一下。

电源传输介质

参考acwifi.net中的那篇文章 [3] 中的说法,“拨掉与下方网络主板的电源连接线,把电源接上电,查看空载时的功率为0W,用电表测量输出电压11.8V”,可以大致判定斐讯的这套供电设计并不是标准的PoE,电压并不匹配。

我们重新回到图2观察一番,可以看到此处有很多的钽电容。在钽电容左边还有一排应该是ESD [8]做经静电保护,电源和数据线合一,数字信号的波形不变化(不考虑噪声)的情况下,将12V的电压整流后到3.3V,同时给设备供电。在钽电容右侧看起来是一些上拉电路(不完全确定)。由于手边没有板子,再加上不是这个行业的,暂时无法完全确定。感兴趣的朋友可以拿示波器测一下

Type-C 3.1规范中,共24根数据线,刚刚好3组以太网线路。电源的GND即Type-C金属壳子,共25根线,完美地解决了电源数据同传这一问题。

参考资料

  1. Wikipedia, "8b/10b encoding", 12 July 2019
  2. 百度百科, "同步以太网时钟", 5 February 2015
  3. acwifi.net, "斐讯K2T拆机,完全暴力拆解", 15 May 2018
  4. tianshui1001, "K2T拆解", 15 May 2018
  5. Qualcomm Atheros, Inc., QCA8337N Seven-port Gigabit Ethernet Switch Datasheet, MKG-17793 Ver. 1.0, 14 May 2012
  6. Wikipedia, "USB-C", 20 August 2019
  7. Wikipedia, "Medium-dependent interface", 17 February 2019
  8. 咨询了师兄,感谢银宇师兄的解答