USB4的降噪措施

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1. USB4的标准及普及

作为主要用于在电脑等Host设备和Device设备间传输数据的差动接口标准,USB(Universal Serial Bus)现已得到广泛普及。

随着市场对于高速通信的大容量数据传输、多个差动接口标准的整合化需求的增加,USB4已在2019年9月被规定为全新标准。

今后,USB4将以电脑及其周边设备方面为主,得到进一步普及。

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2. USB和Thunderbolt的整合

Thunderbolt 3采用了USB Type-C接口,因此也可将Thunderbolt 3的端口作为USB 3.1端口使用。

USB4标准可与Thunderbolt 3实现完全兼容。

USB4的大部分电气性能参数都以Thunderbolt 3为基础。

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3. Thunderbolt 3和USB4的规格及比较

USB4拥有与Thunderbolt 3相同的最快数据传输速度。

二者在信号振幅等方面虽然存在细微的差别,但其基本规格却是相同的。因此,和Thunderbolt 3一样,对于USB4也需要在由数据信号所引起的噪声问题和信号完整性方面采取相应措施。

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4. USB中可能出现的噪声问题

USB4进行通信时,需要处理以下两种类型的噪声问题:基板和电缆向外界辐射的、对外界造成影响的辐射噪声;与设备内部的其他电路之间产生干扰、导致出现错误操作或性能降低的内部系统EMC噪声。

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USB4进行通信时的噪声问题:1

■辐射噪声

从USB4设备或电缆辐射噪声的噪声问题。

USB4进行通信时的噪声问题:2

■内部系统EMC(Wi-Fi接收灵敏度低下)

USB4进行通信时,因数据信号而产生的噪声在设备内部干扰Wi-Fi天线,从而降低Wi-Fi通信灵敏度的噪声问题。

※目前,市面上尚不存在可实现USB4通信的设备(截止至2020年2月)。
因此,我们利用电气性能参数和USB4基本相同的Thunderbolt 3,对能够通信的设备进行了噪声评估。

5. USB4的降噪措施

USB4进行通信时的降噪措施为以下三种:

  • 在Host设备和Device设备的差分传输线上装入共模扼流圈(CMCC)
  • 将CMCC安装在IC附近
  • 安装可防止导线辐射的CMCC

上述措施是有效降噪的关键。

下图为可进行USB4、USB3.1 Gen2、PCI Express、DisplayPort通信的Host设备和Device设备的组合中,共模扼流圈安装位置的简易示意图。

降噪措施示例

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村田推荐的共模扼流圈

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NFG0QHB372HS2
NFG0QHB542HS2
尺寸为0.65×0.50×0.30mm、公差为±0.05mm的小巧轻薄型共模扼流圈可以在不影响高速差动传输线信号波形的前提下实现降噪。

6. 辐射噪音的测量

1、为了模拟在电脑内部进行USB4通信时的运作状态,我们将可以进行Thunderbolt 3、DisplayPort、Ethernet和USB通信的扩展坞连接至电脑,并从3米远处测量了辐射噪声等级。

2、为了排除Host设备和Device设备以外的噪声,我们对Host设备和Device设备以外的设备及其连接电缆进行了屏蔽加工。

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7. 辐射噪音的测量结果

测量结果

在MHz和GHz频段未检测出超过标准值的噪声。

因此可以认为,USB4能够确保足够的差值范围,且辐射噪声不会造成问题的可能性较高。

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8. 内部系统EMC:DUT(支持Thunderbolt 3的扩展卡)的概要

其次,为了调查内部系统EMC的影响,我们使用了支持Thunderbolt 3的扩展卡代替USB4,并对噪声进行了评估。

扩展卡中仅安装有支持Thunderbolt 3的IC。

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关于构造

扩展卡的构造如下:将PCI Express信号(8Gbps x 4条通道)、DisplayPort信号(5.4Gbps x 4条通道)输入到扩展卡上的Thunderbolt 3 IC中,Thunderbolt 3 IC将生成Thunderbolt 3信号(20Gbps x 2条通道),并从Type-C接口输出。

9. 内部系统EMC:对Wi-Fi接收灵敏度的影响的评估

为了确认基板导线辐射出的噪声的影响,我们仅将DUT放入屏蔽箱中,并对放置于附近的智能手机的Wi-Fi接收灵敏度进行了测量。

在今后可能会安装USB4的笔记本电脑中,Wi-Fi天线的安装位置正呈现出由显示器变为主板的趋势,差动信号线和天线之间的距离预计将缩短到5厘米。

因此,在本次评估中我们也将基板导线和智能手机之间的距离设定为5厘米。

(模拟笔记本电脑内部的天线和信号线之间的距离)
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10. 内部系统EMC:Wi-Fi接收灵敏度的测量结果(未采取措施)

Wi-Fi接收灵敏度的评估示例

我们就USB4的运作情况对于Wi-Fi接收灵敏度的影响程度进行了调查。

由于各种数据通信的进行,Wi-Fi(2.4GHz频段)的接收灵敏度降低了3dB左右。这很可能是通信时产生的噪声对天线造成干扰的结果。

在本次评估中,没有检测出DUT在5GHz频段下接收灵敏度下降的现象。

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11. 内部系统EMC:与天线耦合的噪声的评估

与天线耦合的噪声的评估示例

接下来,我们测量了与近处的天线耦合的噪声等级。

在这一评估中,差动信号线与天线之间的距离同样为5厘米左右。

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■关于构造

Host使用了Thunderbolt 3扩展卡,而Device则使用了Thunderbolt 3扩展坞。
在与扩展卡基板上的Thunderbolt 3信号线相距5厘米的位置上放置全向天线,并通过该全向天线检测从扩展卡基板辐射出的噪声。
进行信号通信时,PCI Express、DisplayPort、Thunderbolt 3信号同时通过扩展卡。

12. 内部系统EMC:与天线耦合的噪声的测量结果(未采取措施)

测量结果

测量结果表明,在2~4.5GHz的频段下会产生由DisplayPort、PCI Express、Thunderbolt 3通信所导致的宽频噪声,并与无线天线耦合。

在Wi-Fi通信频段(2.4GHz)和Sub6通信频段(3.3GHz)尤其会产生噪声,为了使通信状态稳定,就必须先控制这些噪声的产生。

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13. 内部系统EMC:附近噪声的测量(未采取措施)

测量结果

为了判明产生噪声的位置,我们使用了可以映射近场的EMC测量仪进行了测量。

由于各种通信的进行,扩展卡基板上Thunderbolt 3的TX信号线上、PCI Express Gen3的TX信号线上和DisplayPort的信号线上都会传输宽频噪声。

可以推测,这些宽频噪声从信号线辐射到了外部空间,并与无线天线耦合。

该原因导致Wi-Fi接收灵敏度和Sub6接收灵敏度有所下降。

我们推测这一现象在电气特征参数与Thunderbolt 3基本相同的USB4上也有可能发生。

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14. 内部系统EMC:降噪元件的插入位置

通过以上评估可以了解,Thunderbolt 3进行通信时,PCI Express、DisplayPort、Thunderbolt 3的信号线会辐射宽频噪声,导致无线通信的灵敏度下降。

因此,为了减少导线辐射的噪声,我们在噪声的传导路径,即信号线上安装了CNCC(NFG0QHB372)。

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15. 内部系统EMC:接收灵敏度的测量结果(采取措施后)

测量结果

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PCI Express、DisplayPort、Thunderbolt 3通信时,通过在各个信号线上安装CMCC(NFG0QHB372),Wi-Fi(2.4GHz)的接收灵敏度与安装CMCC前相比提高了3.0dB。

16. 内部系统EMC:与天线耦合的噪声测量结果(采取措施后)

测量结果

与天线耦合的噪声最大降低了8dB。

考虑耦合的噪声的频率,选择可以控制2.4GHz~5GHz频段下的噪声的元件是十分重要的。

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17. 确认信号波形:眼图测量步骤

由于在信号线上使用共模扼流圈进行了降噪处理,因此我们也对信号完整性所受到的影响进行了确认。进行确认的信号为Thunderbolt 3。

我们从DUT输出Thunderbolt 3的测试模式,并对通过CMCC后的信号完整性进行了确认。

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18. 确认信号波形:眼图测量

我们对使用共模扼流圈是否会对信号完整性造成影响这一点进行了确认。

我们从DUT输出Thunderbolt 3的测试模式,并对通过CMCC后的信号完整性进行了确认。

使用共模扼流圈后,信号波形的完整性与插入滤波器之前相比依然保持在同一水平,并通过了Thunderbolt 3的一致性测试。

USB4具有相同的信号速度(最大为20Gbps),因此也应该可以通过波形测试。

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村田推荐的共模扼流圈

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尺寸为0.65×0.50×0.30mm、公差为±0.05mm的小巧轻薄型共模扼流圈可以在不影响高速差动传输线信号波形的前提下实现降噪。

19. 总结

辐射噪音

・模拟USB4的运作环境,对噪声进行了评估。
・在30~1000MHz、1~18GHz频段间,辐射噪声未造成任何问题。

Wi-Fi接收灵敏度

・在PCI Express、DisplayPort 1.4、Thunderbolt 3运作的情况下,Wi-Fi接收灵敏度会有所下降。
・尤其是USB 3.1 Gen2运行时,可测量到基板导线辐射出2.4GHz频段的噪声。
・可推测USB4运行时也会产生同样的噪声。
・使用共模扼流圈可改善Wi-Fi灵敏度下降的问题。

信号完整性

・使用以下推荐元件,即可在不影响信号完整性的前提下进行降噪。

村田推荐的共模扼流圈

截止频率较高,对高速信号的影响较少;衰减特性的峰值较高,具备较好的降噪特性。

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