USB4的噪聲問題及降噪措施分享

01. USB4的標(biāo)準(zhǔn)及普及

作為主要用于在電腦等Host設(shè)備和Device設(shè)備間傳輸數(shù)據(jù)的差動接口標(biāo)準(zhǔn)，USB（Universal Serial Bus）現(xiàn)已得到廣泛普及。

隨著市場對于高速通信的大容量數(shù)據(jù)傳輸、多個差動接口標(biāo)準(zhǔn)的整合化需求的增加，USB4已在2019年9月被規(guī)定為全新標(biāo)準(zhǔn)。

今后，USB4將以電腦及其周邊設(shè)備方面為主，得到進(jìn)一步普及。

02. USB和Thunderbolt的整合

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

USB4標(biāo)準(zhǔn)可與Thunderbolt 3實現(xiàn)完全兼容。

USB4的大部分電氣性能參數(shù)都以Thunderbolt 3為基礎(chǔ)。

03. Thunderbolt 3和USB4的規(guī)格及比較

USB4擁有與Thunderbolt 3相同的最快數(shù)據(jù)傳輸速度。

二者在信號振幅等方面雖然存在細(xì)微的差別，但其基本規(guī)格卻是相同的。因此，和Thunderbolt 3一樣，對于USB4也需要在由數(shù)據(jù)信號所引起的噪聲問題和信號完整性方面采取相應(yīng)措施。

04. USB中可能出現(xiàn)的噪聲問題

USB4進(jìn)行通信時，需要處理以下兩種類型的噪聲問題：基板和電纜向外界輻射的、對外界造成影響的輻射噪聲；與設(shè)備內(nèi)部的其他電路之間產(chǎn)生干擾、導(dǎo)致出現(xiàn)錯誤操作或性能降低的內(nèi)部系統(tǒng)EMC噪聲。

USB4進(jìn)行通信時的噪聲問題：1

■輻射噪聲

從USB4設(shè)備或電纜輻射噪聲的噪聲問題。

USB4進(jìn)行通信時的噪聲問題：2

■內(nèi)部系統(tǒng)EMC（Wi-Fi接收靈敏度低下）

USB4進(jìn)行通信時，因數(shù)據(jù)信號而產(chǎn)生的噪聲在設(shè)備內(nèi)部干擾Wi-Fi天線，從而降低Wi-Fi通信靈敏度的噪聲問題。

※目前，市面上尚不存在可實現(xiàn)USB4通信的設(shè)備（截止至2020年2月）。

因此，我們利用電氣性能參數(shù)和USB4基本相同的Thunderbolt 3，對能夠通信的設(shè)備進(jìn)行了噪聲評估。

05. USB4的降噪措施

USB4進(jìn)行通信時的降噪措施為以下三種：

在Host設(shè)備和Device設(shè)備的差分傳輸線上裝入共模扼流圈（CMCC）

將CMCC安裝在IC附近

安裝可防止導(dǎo)線輻射的CMCC

上述措施是有效降噪的關(guān)鍵。

下圖為可進(jìn)行USB4、USB3.1 Gen2、PCI Express、DisplayPort通信的Host設(shè)備和Device設(shè)備的組合中，共模扼流圈安裝位置的簡易示意圖。

降噪措施示例

06. 輻射噪音的測量

1、為了模擬在電腦內(nèi)部進(jìn)行USB4通信時的運(yùn)作狀態(tài)，我們將可以進(jìn)行Thunderbolt 3、DisplayPort、Ethernet和USB通信的擴(kuò)展塢連接至電腦，并從3米遠(yuǎn)處測量了輻射噪聲等級。

2、為了排除Host設(shè)備和Device設(shè)備以外的噪聲，我們對Host設(shè)備和Device設(shè)備以外的設(shè)備及其連接電纜進(jìn)行了屏蔽加工。

07. 輻射噪音的測量結(jié)果

測量結(jié)果

在MHz和GHz頻段未檢測出超過標(biāo)準(zhǔn)值的噪聲。

因此可以認(rèn)為，USB4能夠確保足夠的差值范圍，且輻射噪聲不會造成問題的可能性較高。

08. 內(nèi)部系統(tǒng)EMC：DUT（支持Thunderbolt 3的擴(kuò)展卡）的概要

其次，為了調(diào)查內(nèi)部系統(tǒng)EMC的影響，我們使用了支持Thunderbolt 3的擴(kuò)展卡代替USB4，并對噪聲進(jìn)行了評估。

擴(kuò)展卡中僅安裝有支持Thunderbolt 3的IC。

■關(guān)于構(gòu)造

擴(kuò)展卡的構(gòu)造如下：將PCI Express信號（8Gbps x 4條通道）、DisplayPort信號（5.4Gbps x 4條通道）輸入到擴(kuò)展卡上的Thunderbolt 3 IC中，Thunderbolt 3 IC將生成Thunderbolt 3信號（20Gbps x 2條通道），并從Type-C接口輸出。

09. 內(nèi)部系統(tǒng)EMC：對Wi-Fi接收靈敏度的影響的評估

為了確認(rèn)基板導(dǎo)線輻射出的噪聲的影響，我們僅將DUT放入屏蔽箱中，并對放置于附近的智能手機(jī)的Wi-Fi接收靈敏度進(jìn)行了測量。

在今后可能會安裝USB4的筆記本電腦中，Wi-Fi天線的安裝位置正呈現(xiàn)出由顯示器變?yōu)橹靼宓内厔荩顒有盘柧€和天線之間的距離預(yù)計將縮短到5厘米。

因此，在本次評估中我們也將基板導(dǎo)線和智能手機(jī)之間的距離設(shè)定為5厘米。

（模擬筆記本電腦內(nèi)部的天線和信號線之間的距離）

10.

內(nèi)部系統(tǒng)EMC：Wi-Fi接收靈敏度的測量結(jié)果

（未采取措施）

Wi-Fi接收靈敏度的評估示例

我們就USB4的運(yùn)作情況對于Wi-Fi接收靈敏度的影響程度進(jìn)行了調(diào)查。

由于各種數(shù)據(jù)通信的進(jìn)行，Wi-Fi（2.4GHz頻段）的接收靈敏度降低了3dB左右。這很可能是通信時產(chǎn)生的噪聲對天線造成干擾的結(jié)果。

在本次評估中，沒有檢測出DUT在5GHz頻段下接收靈敏度下降的現(xiàn)象。

11. 內(nèi)部系統(tǒng)EMC：與天線耦合的噪聲的評估

與天線耦合的噪聲的評估示例

接下來，我們測量了與近處的天線耦合的噪聲等級。

在這一評估中，差動信號線與天線之間的距離同樣為5厘米左右。

■關(guān)于構(gòu)造

Host使用了Thunderbolt 3擴(kuò)展卡，而Device則使用了Thunderbolt 3擴(kuò)展塢。

在與擴(kuò)展卡基板上的Thunderbolt 3信號線相距5厘米的位置上放置全向天線，并通過該全向天線檢測從擴(kuò)展卡基板輻射出的噪聲。

進(jìn)行信號通信時，PCI Express、DisplayPort、Thunderbolt 3信號同時通過擴(kuò)展卡。

12.

內(nèi)部系統(tǒng)EMC：與天線耦合的噪聲的測量結(jié)果

（未采取措施）

測量結(jié)果

測量結(jié)果表明，在2～4.5GHz的頻段下會產(chǎn)生由DisplayPort、PCI Express、Thunderbolt 3通信所導(dǎo)致的寬頻噪聲，并與無線天線耦合。

在Wi-Fi通信頻段（2.4GHz）和Sub6通信頻段（3.3GHz）尤其會產(chǎn)生噪聲，為了使通信狀態(tài)穩(wěn)定，就必須先控制這些噪聲的產(chǎn)生。

13.

內(nèi)部系統(tǒng)EMC：附近噪聲的測量

（未采取措施）

測量結(jié)果

為了判明產(chǎn)生噪聲的位置，我們使用了可以映射近場的EMC測量儀進(jìn)行了測量。

由于各種通信的進(jìn)行，擴(kuò)展卡基板上Thunderbolt 3的TX信號線上、PCI Express Gen3的TX信號線上和DisplayPort的信號線上都會傳輸寬頻噪聲。

可以推測，這些寬頻噪聲從信號線輻射到了外部空間，并與無線天線耦合。

該原因?qū)е耊i-Fi接收靈敏度和Sub6接收靈敏度有所下降。

我們推測這一現(xiàn)象在電氣特征參數(shù)與Thunderbolt 3基本相同的USB4上也有可能發(fā)生。

14. 內(nèi)部系統(tǒng)EMC：降噪元件的插入位置

通過以上評估可以了解，Thunderbolt 3進(jìn)行通信時，PCI Express、DisplayPort、Thunderbolt 3的信號線會輻射寬頻噪聲，導(dǎo)致無線通信的靈敏度下降。

因此，為了減少導(dǎo)線輻射的噪聲，我們在噪聲的傳導(dǎo)路徑，即信號線上安裝了CNCC（NFG0QHB372）。

15.

內(nèi)部系統(tǒng)EMC：接收靈敏度的測量結(jié)果

（采取措施后）

測量結(jié)果

PCI Express、DisplayPort、Thunderbolt 3通信時，通過在各個信號線上安裝CMCC（NFG0QHB372），Wi-Fi（2.4GHz）的接收靈敏度與安裝CMCC前相比提高了3.0dB。

16.

內(nèi)部系統(tǒng)EMC：與天線耦合的噪聲測量結(jié)果

（采取措施后）

測量結(jié)果

與天線耦合的噪聲最大降低了8dB。

考慮耦合的噪聲的頻率，選擇可以控制2.4GHz～5GHz頻段下的噪聲的元件是十分重要的。

17. 確認(rèn)信號波形：眼圖測量步驟

由于在信號線上使用共模扼流圈進(jìn)行了降噪處理，因此我們也對信號完整性所受到的影響進(jìn)行了確認(rèn)。進(jìn)行確認(rèn)的信號為Thunderbolt 3。

我們從DUT輸出Thunderbolt 3的測試模式，并對通過CMCC后的信號完整性進(jìn)行了確認(rèn)。

18. 確認(rèn)信號波形：眼圖測量

我們對使用共模扼流圈是否會對信號完整性造成影響這一點進(jìn)行了確認(rèn)。

我們從DUT輸出Thunderbolt 3的測試模式，并對通過CMCC后的信號完整性進(jìn)行了確認(rèn)。

使用共模扼流圈后，信號波形的完整性與插入濾波器之前相比依然保持在同一水平，并通過了Thunderbolt 3的一致性測試。

USB4具有相同的信號速度（最大為20Gbps），因此也應(yīng)該可以通過波形測試。

19.總結(jié)

1. 輻射噪音

模擬USB4的運(yùn)作環(huán)境，對噪聲進(jìn)行了評估。

在30～1000MHz、1～18GHz頻段間，輻射噪聲未造成任何問題。

2. Wi-Fi接收靈敏度

在PCI Express、DisplayPort 1.4、Thunderbolt 3運(yùn)作的情況下，Wi-Fi接收靈敏度會有所下降。

尤其是USB 3.1 Gen2運(yùn)行時，可測量到基板導(dǎo)線輻射出2.4GHz頻段的噪聲。

可推測USB4運(yùn)行時也會產(chǎn)生同樣的噪聲。

使用共模扼流圈可改善Wi-Fi靈敏度下降的問題。

3. 信號完整性

使用以下推薦元件，即可在不影響信號完整性的前提下進(jìn)行降噪。

責(zé)任編輯人：CC