Murata USB 4噪声抑制

集成USB和Thunderbolt

Thunderbolt™ 3采用USB Type-C连接器，因此Thunderbolt 3端口也可用作USB 3.1端口。USB 4标准的定义与Thunderbolt 3完全兼容。USB 4的大多数电气规格均基于Thunderbolt 3。

Thunderbolt 3和USB 4比较

USB 4的最大数据传输速度与Thunderbolt 3相同。信号幅度和其他规格略有不同。但基本规格相同，因此USB 4的噪声问题与数据信号的问题相同，需要与Thunderbolt 3相同的信号质量护理。

预计的USB噪声问题

USB 4通信时，必须注意下图所示的两种噪声问题。第一种是辐射噪声，从电路板或电缆辐射到外部，影响外部器件。第二种是系统内EMC噪声，可干扰器件内的其他电路，从而导致故障和性能降低。

USB 4通信时的噪声问题 - 1
•辐射排放：噪声从USB 4器件或电缆辐射的噪声问题。
USB 4通信时的噪声问题 - 2
•系统内EMC（Wi-Fi接收灵敏度下降）：USB 4通信时来自数据信号的噪声干扰设备内的Wi-Fi天线，结果降低Wi-Fi通信灵敏度的噪声问题。

注：截至2020年2月，尚未提供能够进行USB 4通信的器件。因此，Murata使用Thunderbolt 3通信设备进行噪声评估，它的电气特性与USB 4的几乎相同。

USB 4噪声抑制措施

抑制USB 4通信时产生的噪声的有效措施：
•在主机和设备的差分传输线路上安装共模扼流线圈 (CMCC)。
•将CMCC放置在IC附近。
•选择CMCC位置，防止来自电线的噪声辐射。

这些关键点对于有效的噪声抑制非常必要。下方简化图展示了一个共模扼流线圈 (CMCC) 安装位置的示例，用于将器件和支持USB 4、USB 3.1 Gen 2、PCI Express和DisplayPort通信的主机结合在一起。

辐射噪声测量

为了在PC内进行USB 4通信时模拟运行状态，PC连接到支持Thunderbolt 3、DisplayPort、以太网和USB通信的扩展坞。辐射噪声水平是从3米距离测量。

为了消除主机和设备以外的噪声，除了主机和设备外，连接电缆和所有设备均被屏蔽。

辐射噪声测量

测量结果
在MHz或GHz频段内未观察到超过标准值的噪声。这使得Murata能够确保足够的裕度，Murata相信辐射排放对于USB 4来说不是问题。

系统内EMC - 1

DUT概述（Thunderbolt 3兼容附加卡）
接下来，为研究系统内EMC的影响，Murata使用Thunderbolt 3兼容附加卡代替USB 4进行噪声评估。该附加卡仅包含一个Thunderbolt 3兼容IC。

关于配置（下方图1），PCI Express信号（8Gbps x 4通道）和DisplayPort信号（5.4Gbps x 4通道）输入到卡上的Thunderbolt 3 IC，Thunderbolt 3 IC生成Thunderbolt 3信号（20Gbps x 2通道），由Type-C连接器输出。

系统内EMC - 2

评估对Wi-Fi接收灵敏度的影响
若要查看电路板电线辐射噪声的影响，仅DUT安装在屏蔽盒中，测量附近智能手机的Wi-Fi接收灵敏度（下方图2）。

在预计采用USB 4的笔记本电脑中，主流趋势是在主板上安装Wi-Fi天线，而不是在显示器上安装，差分线路和天线之间的距离预计约在5cm左右。因此，Murata使用5cm分隔的电路板电线和智能手机进行评估。（这模拟了笔记本电脑内天线和信号线之间的距离。）

系统内EMC - 3

Wi-Fi接收灵敏度测量结果（无噪声抑制措施）
Wi-Fi接收灵敏度评估示例
Murata通过USB 4操作研究了对Wi-Fi接收灵敏度的影响程度（下方图3）。

进行各种数据通信时，Wi-Fi（2.4GHz频段）接收灵敏度水平下降约3dB。这可能是由于通信过程中产生的噪声干扰天线造成的。在该DUT中，未发现5GHz频段接收灵敏度下降。

系统内EMC - 4

评估进入天线的噪音
评估进入天线的噪音示例
然后，Murata验证了进入附近天线的噪声水平。在该评估中，差分信号线和天线之间也保持了约5cm的距离。

在配置中（下方图4），Thunderbolt 3附加卡用作主机，Thunderbolt 3扩展坞用作器件。非定向天线放置在距离附加纸板上Thunderbolt 3信号线5cm的位置。从非定向天线发现附加纸板辐射的噪声。信号通信时，PCI Express、DisplayPort和Thunderbolt 3信号同时在附加卡上流动。

系统内EMC - 5

进入天线的噪声的测量结果（无噪声抑制措施）
测量结果
Murata确定宽带噪声是由于DisplayPort、PCI Express和Thunderbolt 3在2GHz至4.5GHz范围内通信发生的，该噪声进入无线天线（下方图5）。

特别是，在Wi-Fi通信频段 (2.4GHz) 和sub-6通信频段 (3.3GHz) 中发生噪声。需要抑制这种噪声，从而稳定通信。

系统内EMC - 6

测量近场噪声（无噪声抑制措施）
测量结果
若要找出发生噪声的位置，使用能够映射近场磁性的EMC测试仪测量电路板（下方图6）。通过执行各种通信，在附加纸板上的Thunderbolt 3 TX信号线路，PCI Express Gen3 TX信号线路和DisplayPort信号线路上传播宽带噪声。

这被认为是该宽带噪声从信号线路辐射到空间，并进入无线天线。因此，这导致Wi-Fi接收灵敏度和sub-6接收灵敏度降低。

预计在USB 4中也会出现这一问题，其电气规格与Thunderbolt 3的几乎相同。

系统内EMC - 7

噪声抑制元件插入位置
根据先前的评估，Murata发现Thunderbolt 3通信时，来自PCI Express、DisplayPort和Thunderbolt 3信号线路辐射的宽带噪声降低了无线通信的灵敏度。

为此，Murata在作为噪声传导路径的信号线路上安装了NFG0QHB372 CMCC，用于抑制电线上辐射的噪声（下方图7）。

系统内EMC - 8

接收灵敏度的测量结果（实施噪声抑制措施后）
测量结果
在信号线路上安装NFG0QHB372 CMCC（下方图8）将PCI Express、DisplayPort和Thunderbolt 3通信时的Wi-Fi (2.4GHz) 接收灵敏度改进了3dB（与未安装CMCC相比）。

系统内EMC - 9

进入天线的噪声的测量结果（实施噪声抑制措施后）
测量结果
进入天线的噪声降低了8dB（下方图9）。必须使用进入的噪声的频率，让选择的元件能够抑制2.4GHz至5GHz频率范围内的噪声。

信号波形检查 - 过程

眼图测量程序
因为共模扼流线圈用作信号线路上的噪声抑制措施，因此也检查了其对信号质量的影响（下方图10）。检查了Thunderbolt 3的信号。DUT输出Thunderbolt 3测试模式，并研究了通过CMCC后的信号质量。

信号波形检查 - 结果

眼图测量
Murata研究了使用共模扼流线圈是否对信号质量有任何影响。DUT输出Thunderbolt 3测试模式，并查看了通过CMCC后的信号质量。

即使使用共模扼流线圈，信号波形质量也与滤波器插入之前相同，同时通过了Thunderbolt 3合格测试。

由于USB 4还使用相同的信号速度（最高20Gbps），预计将通过波形测试。

结论

辐射噪声
        •模拟USB 4工作环境，用于进行噪声评估。
•在30MHz至1000MHz和1GHz至18GHz范围内，辐射噪声不存在问题。

Wi-Fi接收灵敏度
        •PCI Express、DisplayPort 1.4和Thunderbolt 3运行时，Wi-Fi接收灵敏度降低。
•尤其是在USB 3.1 Gen 2运行时，在电路板电线上发现了2.4GHz频段的噪声。
•预计在USB 4运行时也会产生相同的噪声。
•使用共模扼流线圈消除了Wi-Fi灵敏度的降低。

信号质量
        •Murata建议通过NFG0QHB372HS2和NFG0QHB542HS2共模噪声滤波器实施噪声抑制措施，不影响信号质量。

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