USB-Protokolle
USB ist ein serielles Bussystem und eine Anschlusstechnologie für Peripheriegeräte und Computer. Die USB-C Schnittstelle ist die neueste Variante dieses Standards, die sich durch eine höhere Bandbreite und neue Energiemanagementfunktionen auszeichnet.
USB-C ist abwärts kompatibel zu den bestehenden USB-Konventionen und unterstützt verschiedene Protokolle:
| Schnittstelle | Übertragungsrate |
| Hi-Speed-USB-2.0 | bis zu 480 Mbit/s |
| SuperSpeed-USB-3.0 | bis zu 5 Gbit/s |
| USB 3.1 Gen 1 | bis zu 5 Gbit/s |
| USB 3.1 Gen 2 | bis zu 10 Gbit/s |
| Thunderbolt 3/USB-4.0 | bis zu 40 Gbit/s |
Der Begriff USB-C bezeichnet jedoch im engeren Sinne lediglich die Anschlussbuchse bzw. den Steckeranschluss, kurz Typ C genannt. Dem gegenüber steht der Buchsen- bzw. Steckeranschluss Typ A. Begriffe wie Superspeed, USB 3.x oder USB-C sagen also nichts über die Geschwindigkeit der Schnittstellen aus! Diese wurde bisher – wie in der obigen Tabelle ausgewiesen – angegeben. Ab USB 3.1 Gen 2 wird im Regelfall der Typ C eingesetzt. Hingegen werden bei manchen Mainboards auch Typ-A Buchsen mit einer Geschwindigkeit von USB 3.1 Gen 2 eingesetzt.
Farbcodierungen
USB 1 Typ A Verbindungen haben einen weißen und USB 2 Typ A einen schwarzen Verbindungssteg, während USB 3 Typ A Verbindungen einen blauen Steg besitzen. USB 3.1 Gen 2 Typ A (10 Gbit/s) wird mit einer rötlich violetten Farbcodierung gekennzeichnet. Des Öfteren werden jedoch auch solche Buchsen dunkelrot hervorgehoben. Allerdings werden ab USB 3.1 Gen 2 normalerweise USB-C Stecker- und Buchsenausführungen eingesetzt.
Neue Bezeichnungen für moderne USB-Schnittstellen
Die folgende Tabelle benennt die USB-Schnittstellen mit Ihren bisher gebräuchlichen Namen in Klammern und den nunmehr eingeführten exakten Schnittstellenspezifikationen zur Festlegung der Geschwindigkeit.
Dazu muss man wissen, dass die erste Ziffer hinter der Bezeichnung Gen die Grundgeschwindigkeit codiert. 1 steht für 5 Gbit/s, 2 für 10 Gbit/s und 3 für 20 Gbit/s. Ab USB3.2 wurde ein zusätzliches Kabelpaar bei der Typ-C Variante eingeführt, um die Grundgeschwindigkeit verdoppeln zu können. Dies wird durch die zweite Ziffer angegeben. USB 3 Gen 2×2 ist also eine Spezifikation, die die Basisdatenübertragungsrate von 10 Gbit/s verdoppelt (Gen 2×2=10 Gbit/s x 2=20 Gbit/s). Ein Typ A Anschluss besitzt jedoch keine Kontakte für ein zusätzliches Kabelpaar, weshalb bei dieser Geschwindigkeit nur noch eine Typ-C Verbindung ausführungstechnisch möglich ist, da hier die notwendigen Kontakte für zusätzliche Adernpaare umgesetzt sind (vgl. Abbildungen unten).
Konkrete USB Schnittstellenbezeichnungen
| USB 3.x Gen 1×1 (USB3.0) | bis zu 5 Gbit/s |
| USB-3.x Gen 2×1 (USB3.1) | bis zu 10 Gbit/s |
| USB 3.x Gen 2×2 (USB3.2) | bis zu 20 Gbit/s |
| USB 4.0 Gen 3×2 (USB4.0) | bis zu 40 Gbit/s |
Bei der seriellen Übertragung bezeichnet TX einen Sendekanal und RX einen Empfangskanal für Datensignale. USB 2.0 besitzt nur 1 Adernpaar (Highspeed, Pin 2 und 3), USB 3 Typ A besitzt schon 3 Adernpaare zur seriellen Datenübertragung, zwei für Superspeed und ein Paar für Highspeed (Superspeed, Pin 5,6 [RX] und 8,9 [TX], Highspeed Pin 2 und 3 für die Abwärtskompatibilität zu USB 2.0). Die USB Typ C Schnittstelle besitzt insgesamt 5 Datenpaare (vgl. oben Abb. USB-C Buchse und Anhang USB-C Kabel). Nämlich 1 Adernpaar (blau) für die Abwärtskompatibilität zu USB 2.0 und die Adernpaare in orange und rot, jeweils doppelt ausgeführt. Die 24 Kontakte sind so angeordnet, dass der Stecker beliebig gedreht horizontal eingesteckt werden kann. Er ist somit verpolungssicher. Allerdings besitzt das USB-C Kabel nur 16 Adern, so dass einige USB-C Kontakte zwangsläufig nur intern verdrahtet sind (übereinander liegende Kontakte VBus sowie GND als auch die USB 2.0 Kontakte und die allgemeine Abschirmung).
Kabel
USB-A auf USB-C Kabel oder Adapter
USB-A-Verbindungen können standardmäßig die folgenden Übertragungsgeschwindigkeiten erreichen:
| SuperSpeed USB 3.0 | bis zu 5 Gbit/s |
| Hi-Speed-USB-2.0 | bis zu 480 Mbit/s |
Bei kurzen gut abgeschirmten Kabeln oder Adaptern, die für eine höhere Übertragungsrate bzw. Basisrate ausgelegt sind (USB-3 Gen2x1) können auch 10 Gbit/s Datenrate über geeignete Chipsätze erzielt werden. Im Regelfall sind diese Umsetzer aber teurer und eher selten anzutreffen. USB-A zu USB-C Adapter und Kabel erfüllen meist nur den USB-3 Gen 1×1 Standard (5 Gbit/s). Ab einer Übertragungsrate von 20 Gbit/s (Basistakt 10 GBit/s oder 20 GBit/s) ist zwingend eine reine USB Typ C Verbindung notwendig!
Kabellänge
USB-C Kabel (≥10 Gbit/s) sollten grundsätzlich möglichst kurz sein, maximal jedoch ein Meter, weil die Herstellung längerer USB-C Kabel wirtschaftlich unverträglich ist. USB-3 Kabelstrecken können ab 3 Meter in der Praxis Probleme bereiten. Je höherwertiger ein USB Kabel von Seiten des eingesetzten Materials und der Eigenschaften ist , um so teurer wird es! Tatsächlich bewegt man sich bei USB-C Kabeln im Bereich des physikalisch Machbaren.
Je länger ein Kabel ist, umso ungünstiger wirkt sich die Länge auf die elektrischen Eigenschaften aufgrund von beispielsweise Widerstandsverlusten auf die Stabilität von Signalübertragungen und der Stromversorgung aus. Der Querschnitt der Leitungen zur Verkleinerung des Widerstandes kann nicht beliebig vergrößert werden, da die USB-C Kontaktleisten sehr klein dimensioniert sind. Da bei USB-C Kabel bereits hochwertige Kupferadern genutzt werden (sollten!), ist diese Materialkomponente auch bereits ausgereizt.
Kabelverlängerungen sind bei USB-C zu vermeiden! Greifen Sie besser auf ein entsprechend langes duchgängiges Kabel zurück oder auf aktive Verstärkerkomponenten wie Hubs.
Stromversorgung
Auf der deutschen Webseite von Elektronik-Kompendium oder der Firma reichelt elektronik erfahren Sie noch mehr Einzelheiten zu den USB-Spezifikationen, vor allem auch zur Leistung, die die verschiedenen Schnittstellen maximal bewältigen können! Ohne zusätzliche ausreichend dimensionierte Stromversorgung können Sie nicht beliebig viele Verbraucher an einer USB-Schnittstelle anschließen. Sie können Ihr Mainboard beschädigen, falls die Leistungsaufnahme von USB Geräten dauerhaft zu hoch ist! (Beispielsweise bei Einsatz eines einfachen USB-Hubs statt eines aktiven mit externer Stromversorgung)
Eine USB-Schnittstelle liefert stets eine Gleichspannungsversorgung von 5V. Auch die USB-C Schnittstelle liefert bei Zustecken eines Verbrauchers diese Spannung. Sie kann jedoch über Protokollaushandlungen auch eine Spannung von 12V oder 20V liefern, um z.B. Smartphones oder Notebooks schneller aufladen zu können (Power Delivery).
Résumé
Moderne Chipsätze mit USB-3 Schnittstellen können eine Basisrate von 5Gbit/s (USB 3.0, USB-3.1), 10 Gbit/s (USB-3.2) oder 20 Gbit/s (USB-4) erzielen. Durch gleichzeitige serielle Übertragungen auf 2 Kanälen können diese Datenraten über die USB-C Schnittstelle verdoppelt werden. Ab USB 3.2 Gen2x2 kann die maximale Datenrate nur noch über die USB Typ C Schnittstelle bewerkstelligt werden.
Theoretisch müsste die USB-3.0 Schnittstelle eine Basisrate von 2.5 Gbit/s maximal leisten, über die doppelte Datenleitung resultiert dann eine Datenrate von 5 Gbit/s. Oder bei der USB-3.0 Schnittstelle würde paradoxerweise nur eine Datenleitung mit 5 Gbit/s genutzt. Die Nomenklatur (USB 3.x Gen Y x Z) berücksichtigt aber eine solche Überlegung nicht. Die genaue Arbeitsweise der USB-Schnittstellen ist allenfalls für den Elektrotechniker oder Elektroniker interessant. In diesem Artikel wird darauf nicht näher eingegangen.
Wie dem auch sei. Wichtig ist lediglich die Erkenntnis, dass Adapter und Kabel bzw. auch alle beteiligten USB Geräte wie Hubs einheitlich den Standard, den ein Benutzer anvisiert, erfüllen müssen. Ansonsten fällt die Leistung auf das Niveau zurück, welches das schwächste Gerät in der Kette hat. Leider ist z.B. die Bezeichnung USB 3.2 durchaus nach alter Norm verträglich mit einer maximalen Datenübertragung von 5 Gbit/s.
Achten Sie also in Zukunft darauf, dass ein Verkäufer die maximale Datenrate in Gbit/s angibt, bevor Sie das Gerät, das Kabel oder den Adapter kaufen. Ein Typ C Kabel oder Gerät muss nicht unbedingt 40 Gbit/s übertragen können, sondern lediglich 5 Gbit/s. Vermeiden Sie Kabelverlängerungen und nutzen Sie möglichst kurze USB-C Kabel (≤ 1 m).
Kurznotation bei Typ-A Schnittstellen
Wie Sie aus obiger Abbildung entnehmen können, werden Typ-A Verbindungen kurznotiert und lediglich mit Gen 1 (Gen 1×1) bzw. Gen 2 (Gen2x1) benannt. Lediglich bei dem USB-C Typ gibt die vollständige Notation Auskunft über die tatsächliche Geschwindigkeit. Die Typ-A Ausführungen besitzen bekanntlich keine zusätzlichen Adernpaare zur Verdopplung der Hochgeschwindigkeit, weshalb die Kurznotation bei Typ-A eindeutig ist!
Störungen bei WLAN und Bluetooth Verbindungen durch USB 3.x Geräte und Kabel
Ich möchte noch abschließend darauf hinweisen, dass USB-3.x Geräte bzw. eine USB-C Schnittstelle in der Nähe von WLAN und Bluetooth Vorrichtungen den Empfang im 2.4 GHz Bereich stören können, da deren Frequenz im 2.5 GHz Bereich liegt (Interferenz). Auch eine gute Abschirmung wird unter Umständen am Störeffekt nichts ändern, sondern nur eine entsprechende Distanz zwischen den Geräten.
Der alternate Mode bei USB-C
Die USB-C Schnittstelle muss nicht auf die USB-Funktion beschränkt bleiben. Durch unterschiedliche Belegungen der Kontakte oder Schaltungstechnik kann beispielsweise ein Display-Port oder HDMi-Port umgesetzt werden. Weitere Informationen dazu finden Sie auf Elektronik-Kompendium.
Anhang
Die Kontakte A6/A7 sowie B6/B7 sind offensichtlich intern kreuzweise gebrückt! (Nur ein Adernpaar, 2 Drähte)
(daher 5 Datenkanäle über die Adenpaare definiert, vgl. oben Abbildung USB-C Buchse und nachfolgender Text)
Die je 4 spannungsführenden übereinander liegenden Kontakte (VBus/GND) vergrößern quasi die Kontaktfläche zum Draht und ermöglichen so die Erhöhung der darüber fließenden Leistung bzw. der Stromstärke. (vgl. storage-insider.de)
Die mit * gekennzeichneten Adernfarben sind nicht genormt!
Auf der deutschen Webseite von itwissen.info erfahren Sie mehr über die physikalische Umsetzung und den Aufbau von USB Kabeln. Leider habe ich bisher keine Bildinformationen gefunden, die ein USB-C Kabel anschaulich im Aufbau oder Anschluss verdeutlicht.
Auf Computerservice-mtk wird das heillose Durcheinander um die USB-C Schnittstelle zusammengefasst.
Bildnachweis
seagate.com, elektronik-kompendium.de, de.wikipedia.org, rs-online.com, persoft.de