村田制作所(murata)將從以下6個(gè)方面對(duì)USB降噪措施以及驗(yàn)證提供整套解決方案?1.USB極簡(jiǎn)史?2.USB4可能出現(xiàn)哪些噪聲問題?3.降噪:如何應(yīng)用CMCC是關(guān)鍵(推薦村田CMCC產(chǎn)品:NFG0QHB372HS2/NFG0QHB542HS2)?4.輻射噪聲的評(píng)估?5.內(nèi)部EMC評(píng)估及應(yīng)對(duì)措施?6.信號(hào)完整性確認(rèn)?
1.USB4極簡(jiǎn)史
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(dòng)接口標(biāo)準(zhǔn),USB(Universal Serial Bus)已得到廣泛普及?隨著市場(chǎng)對(duì)于高速通信的大容量數(shù)據(jù)傳輸?多個(gè)差動(dòng)接口標(biāo)準(zhǔn)的整合化需求的增加,USB4在2019年9月被規(guī)定為全新標(biāo)準(zhǔn),并以電腦及其周邊設(shè)備方面為主,得到進(jìn)一步普及?
USB接口的演變
我們知道,在USB4之前,已經(jīng)將幾個(gè)USB連接器標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一為Type-C連接器這1種(USB3.2)——使用1根Type-C電纜就能兼容各種接口的動(dòng)向?在筆記本PC當(dāng)中,只用1根電纜就能實(shí)現(xiàn)充電?視頻傳輸和數(shù)據(jù)傳輸?
那么,為什么又進(jìn)化到USB4呢?
歐盟委員會(huì)發(fā)布的將充電標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一為Type-C的強(qiáng)制性法律的推動(dòng)作用,Type-C連接器成為事實(shí)上的標(biāo)準(zhǔn),因此,Thunderbolt與USB進(jìn)入整合!(見下圖)
USB4:Thunderbolt與USB接口整合的結(jié)果
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(shí)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)?
USB4擁有與Thunderbolt 3相同的最快數(shù)據(jù)傳輸速度?不難看出,未來(lái)USB4標(biāo)準(zhǔn)將極大地改善終端用戶的使用體驗(yàn)?
2.USB4可能出現(xiàn)哪些噪聲問題
USB4和Thunderbolt 3一樣具有更快的數(shù)據(jù)傳輸速度?二者在信號(hào)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(下圖)?
因此,和Thunderbolt 3一樣,對(duì)于USB4也需要在由數(shù)據(jù)信號(hào)所引起的噪聲問題和信號(hào)完整性方面采取相應(yīng)措施?
具體來(lái)說(shuō),USB4進(jìn)行通信時(shí),需要處理以下兩種類型的噪聲問題:
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基板和電纜向外界輻射的?對(duì)外界造成影響的輻射噪聲;
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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(cuò)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(shí)的噪聲問題
劃重點(diǎn):
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USB4進(jìn)行通信時(shí),從USB4設(shè)備或電纜會(huì)輻射出噪聲;
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USB4進(jìn)行通信時(shí),因數(shù)據(jù)信號(hào)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,這是內(nèi)部系統(tǒng)的EMC問題?
需要說(shuō)明的是,本文所作驗(yàn)證測(cè)試期間,市面上尚不存在可實(shí)現(xiàn)USB4通信的設(shè)備(截止至2020年2月),因此,下面的結(jié)果均為我們利用電氣性能參數(shù)和USB4基本相同的Thunderbolt 3,對(duì)能夠通信的設(shè)備進(jìn)行的噪聲評(píng)估?
3.降噪:如何應(yīng)用CMCC是關(guān)鍵
USB4進(jìn)行通信時(shí)的降噪,以下三種措施是關(guān)鍵:
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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)
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將CMCC安裝在IC附近
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安裝可防止導(dǎo)線輻射的CMCC
在可進(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(下圖),利用共模扼流圈(CMCC)降噪,需要考慮裝在哪兒(安裝位置)?產(chǎn)品規(guī)格?如何測(cè)試驗(yàn)證?等問題?下面小編為你一一解釋?
USB4降噪措施示例
村田推薦 : CMCC
4.輻射噪聲的評(píng)估
為了模擬在電腦內(nèi)部進(jìn)行USB4通信時(shí)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(cè)量了輻射噪聲等級(jí)(下圖)?
為了排除Host設(shè)備和Device設(shè)備以外的噪聲,我們對(duì)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?
輻射噪聲的測(cè)量結(jié)果如下圖:
可以看出,在MHz和GHz頻段未檢測(cè)出超過(guò)標(biāo)準(zhǔn)值的噪聲?因此,我們可以認(rèn)為,USB4能夠確保足夠的差值范圍,且輻射噪聲不會(huì)造成問題的可能性較高?
6.內(nèi)部EMC評(píng)估及應(yīng)對(duì)措施
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(duì)噪聲進(jìn)行了評(píng)估?擴(kuò)展卡中僅安裝有支持Thunderbolt 3的IC(下圖)?
擴(kuò)展卡的構(gòu)造如下:將PCI Express信號(hào)(8Gbps x 4條通道)?DisplayPort信號(hào)(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(hào)(20Gbps x 2條通道),并從Type-C接口輸出?
評(píng)估對(duì)Wi-Fi接收靈敏度的影響:
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(duì)放置于附近的智能手機(jī)的Wi-Fi接收靈敏度進(jìn)行了測(cè)量(下圖)?
在今后可能會(huì)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?shì),差動(dòng)信號(hào)線和天線之間的距離預(yù)計(jì)將縮短到5厘米?
因此,在本次評(píng)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(hào)線之間的距離)
下圖是未采取措施時(shí),內(nèi)部系統(tǒng)EMC——Wi-Fi接收靈敏度的測(cè)量結(jié)果:
從測(cè)量結(jié)果可以看出USB4的運(yùn)作情況對(duì)于Wi-Fi接收靈敏度的影響程度: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(shí)產(chǎn)生的噪聲對(duì)天線造成干擾的結(jié)果?
在本次評(píng)估中,沒有檢測(cè)出DUT在5GHz頻段下接收靈敏度下降的現(xiàn)象?
采取降噪措施后,接收靈敏度的測(cè)量結(jié)果如下:
采取降噪措施后
可以看出,PCI Express?DisplayPort?Thunderbolt 3通信時(shí),通過(guò)在各個(gè)信號(hào)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?
劃重點(diǎn):Thunderbolt 3進(jìn)行通信時(shí),PCI Express?DisplayPort?Thunderbolt 3的信號(hào)線會(huì)輻射寬頻噪聲,導(dǎo)致無(wú)線通信的靈敏度下降?內(nèi)部系統(tǒng)EMC,在這些位置(下圖)插入降噪元件是關(guān)鍵:
為了減少導(dǎo)線輻射的噪聲,我們?cè)谠肼暤膫鲗?dǎo)路徑,即信號(hào)線上安裝了CMCC(NFG0QHB372)?
評(píng)估與天線耦合的噪聲:
接下來(lái),我們測(cè)量了與近處的天線耦合的噪聲等級(jí)?
在這一評(píng)估中,差動(dòng)信號(hào)線與天線之間的距離同樣為5厘米左右?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(hào)線相距5厘米的位置上放置全向天線,并通過(guò)該全向天線檢測(cè)從擴(kuò)展卡基板輻射出的噪聲?
進(jìn)行信號(hào)通信時(shí),PCI Express?DisplayPort?Thunderbolt 3信號(hào)同時(shí)通過(guò)擴(kuò)展卡?
未采取措施,與天線耦合的噪聲的測(cè)量結(jié)果如下圖:
需要說(shuō)明一點(diǎn),此處為了排除Host設(shè)備和Device設(shè)備以外的噪聲,我們對(duì)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?
采取措施后,與天線耦合的噪聲最大降低了8dB(下圖)?
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?
測(cè)量附近的噪聲:
為了判明產(chǎn)生噪聲的位置,我們還使用了可以映射近場(chǎng)的EMC測(cè)量?jī)x進(jìn)行了測(cè)量?
由于各種通信的進(jìn)行,擴(kuò)展卡基板上Thunderbolt 3的TX信號(hào)線上?PCI Express Gen3的TX信號(hào)線上和DisplayPort的信號(hào)線上都會(huì)傳輸寬頻噪聲?
未采取措施的測(cè)量結(jié)果如下圖:
可以推測(cè),這些寬頻噪聲從信號(hào)線輻射到了外部空間,并與無(wú)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(cè)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?
小結(jié):
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通過(guò)以上評(píng)估可以了解,Thunderbolt 3進(jìn)行通信時(shí),PCI Express?DisplayPort?Thunderbolt 3的信號(hào)線會(huì)輻射寬頻噪聲,導(dǎo)致無(wú)線通信的靈敏度下降?
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在噪聲的傳導(dǎo)路徑即信號(hào)線上安裝CMCC(NFG0QHB372)可有效減少導(dǎo)線輻射的噪聲?
6.信號(hào)完整性確認(rèn)
由于在信號(hào)線上使用共模扼流圈進(jìn)行了降噪處理,因此我們也對(duì)信號(hào)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(hào)為Thunderbolt 3?
確認(rèn)信號(hào)波形的眼圖測(cè)量的設(shè)置如下圖:
我們從DUT輸出Thunderbolt 3的測(cè)試模式,對(duì)使用共模扼流圈是否會(huì)對(duì)信號(hào)完整性造成影響這一點(diǎn)進(jìn)行了確認(rèn)?結(jié)果如下:
使用共模扼流圈后,信號(hào)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(guò)了Thunderbolt 3的一致性測(cè)試?
USB4具有相同的信號(hào)速度(最大為20Gbps),因此也應(yīng)該可以通過(guò)波形測(cè)試?
總結(jié):
本文探討了USB4在由數(shù)據(jù)信號(hào)所引起的噪聲問題和信號(hào)完整性方面需采取的相應(yīng)措施?
輻射噪音:
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模擬USB4的運(yùn)作環(huán)境,對(duì)噪聲進(jìn)行了評(píng)估?
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在30~1000MHz?1~18GHz頻段間,輻射噪聲未造成任何問題?
Wi-Fi接收靈敏度:
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在PCI Express?DisplayPort 1.4?Thunderbolt 3運(yùn)作的情況下,Wi-Fi接收靈敏度會(huì)有所下降?尤其是USB 3.1 Gen2運(yùn)行時(shí),可測(cè)量到基板導(dǎo)線輻射出2.4GHz頻段的噪聲?
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可推測(cè)USB4運(yùn)行時(shí)也會(huì)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?
使用村田推薦的元件,即可在不影響信號(hào)完整性的前提下進(jìn)行降噪?村田推薦的共模扼流圈截止頻率較高,對(duì)高速信號(hào)的影響較少?衰減特性的峰值較高,具備較好的降噪特性?
