Murata Soppressione del rumore per USB 4

Integrazione di USB e Thunderbolt

Thunderbolt™ 3 ha adottato il connettore USB di tipo C in modo che una porta Thunderbolt 3 potesse essere utilizzata anche come porta USB 3.1. Lo standard USB 4 è stato definito per la completa compatibilità con Thunderbolt 3. La maggior parte delle specifiche elettriche per USB 4 sono basate su Thunderbolt 3.

Confronto tra Thunderbolt 3 e USB 4

USB 4 ha la stessa velocità di trasferimento dati massima di Thunderbolt 3. Ci sono alcune piccole differenze nell'ampiezza del segnale e in altre specifiche. Tuttavia, le specifiche di base sono identiche, quindi l'USB 4 avrà gli stessi problemi di rumore derivanti dai segnali di dati e richiede la stessa cura di qualità del segnale di Thunderbolt 3.

Problemi di rumore previsti con USB

Durante la comunicazione USB 4, è necessario prestare attenzione a due tipi di problemi di rumore, come mostrato nel diagramma seguente. Il primo è il rumore di radiazione che si irradia dalla scheda o dal cavo all'esterno e che influisce sui dispositivi esterni. Il secondo è il rumore EMC Intrasystem che interferisce con altri circuiti all'interno del dispositivo, causando malfunzionamenti e prestazioni ridotte.

Problemi di rumore durante la comunicazione USB 4 - 1 • Emissioni irradiate: problemi di rumore in cui il rumore si irradia dai dispositivo USB 4 o dal cavo.Problemi di rumore durante la comunicazione USB 4 - 2        •EMC Intrasystem (caduta della sensibilità di ricezione WiFi): problema di rumore in cui il rumore derivante dai segnali dati interferisce con l'antenna WiFi all'interno del dispositivo durante la comunicazione USB 4, con conseguente minore sensibilità di comunicazione WiFi.

Nota: i dispositivi in grado di comunicare con USB 4 non erano disponibili a partire da febbraio 2020. Per questo motivo, Murata ha condotto valutazioni del rumore utilizzando dispositivi in grado di comunicare con Thunderbolt 3 che hanno praticamente le stesse caratteristiche elettriche dell'USB 4.

Misure di soppressione del rumore per USB 4

Misure efficaci per la soppressione del rumore durante la comunicazione USB 4:
•Installare bobine di arresto di modo comune (CMCC) sulle linee di trasmissione differenziale dell'host e del dispositivo.
•Posizionare la CMCC vicino al CI.
•Selezionare le posizioni della CMCC per evitare che il rumore si irradi dai cavi.

Questi punti chiave sono necessari per un'efficace soppressione del rumore. Il diagramma semplificato (sotto) mostra un esempio di posizioni di installazione della bobina di arresto di modo comune (CMCC) per la combinazione di un dispositivo e di un host in grado di comunicare USB 4, USB 3.1 Gen 2, PCI Express e DisplayPort.

Misurazione del rumore irradiato

Per simulare lo stato di funzionamento quando la comunicazione USB 4 è eseguita all'interno di un PC, è stato collegato un PC a una stazione di ricarica in grado di comunicare Thunderbolt 3, DisplayPort, Ethernet e USB. Il livello di rumore irradiato è stato misurato da una distanza di 3 m.

Per rimuovere il rumore diverso da quello dall'host e dal dispositivo, i cavi di connessione e tutte le apparecchiature, ad eccezione dell'host e del dispositivo, sono stati schermati.

Misurazione del rumore irradiato

Risultati di misurazione Nessun rumore superiore ai valori standard è stato osservato nelle bande MHz o GHz. Ciò ha consentito a Murata di garantire un margine sufficiente e Murata è molto fiduciosa che le emissioni irradiate non saranno un problema per USB 4.

EMC - 1 Intrasystem

Panoramica di DUT (scheda aggiuntiva compatibile Thunderbolt 3) Inoltre, per esaminare l'effetto dell'EMC Intrasystem, Murata ha condotto una valutazione del rumore utilizzando una scheda aggiuntiva compatibile Thunderbolt 3 al posto di USB 4. La scheda aggiuntiva ha solo un CI compatibile Thunderbolt 3.

Per quanto riguarda la configurazione (Figura 1, sotto), il segnale PCI Express (8Gbps x 4 corsie) e il segnale DisplayPort (5,4Gbps x 4 corsie) sono immessi nel CI Thunderbolt 3 sulla scheda e il CI Thunderbolt 3 genera un segnale Thunderbolt 3 (20Gbps x 2 corsie) che è in uscita da un connettore di tipo C. 

EMC - 2 Intrasystem

Valutazione dell'impatto sulla sensibilità di ricezione WiFi Per controllare l'impatto del rumore irradiato dai cavi della scheda, solo la DUT è stata alloggiata in una scatola di schermatura e la sensibilità di ricezione WiFi di uno smartphone vicino è stata misurata (Figura 2, sotto).

Nei PC notebook che dovrebbero includere USB 4, è in aumento la tendenza di installare l'antenna WiFi sulla scheda madre invece che sul display e si prevede che la distanza tra la linea differenziale e l'antenna si avvicinerà a circa 5 cm. Per questo motivo, Murata ha condotto la valutazione con i cavi della scheda e lo smartphone separati da 5 cm. (Questo simula la distanza tra l'antenna e la linea di segnale all'interno di un PC notebook.)

EMC - 3 Intrasystem

Risultati di misurazione della sensibilità di ricezione WiFi (nessuna misura di soppressione del rumore)Esempio di valutazione della sensibilità di ricezione WiFi Murata ha esaminato il grado di impatto sulla sensibilità di ricezione WiFi da parte del funzionamento USB 4 (Figura 3, sotto).

Quando sono stati eseguiti vari tipi di comunicazione dati, il livello di sensibilità di ricezione WiFi (banda 2,4 GHz) è diminuito di circa 3 dB. Ciò era probabilmente dovuto all'interferenza con l'antenna da un rumore generato durante la comunicazione. In questo DUT, non è stato trovato un calo della sensibilità di ricezione nella banda a 5 GHz.

EMC - 4 Intrasystem

Valutazione del rumore che entra nell'antenna Esempio di valutazione del rumore che entra nell'antenna Murata, quindi verifica il livello di rumore che entra nell'antenna vicina. Questa valutazione ha anche utilizzato una distanza di circa 5 cm tra la linea di segnale differenziale e l'antenna.

Nella configurazione (Figura 4, sotto), una scheda aggiuntiva Thunderbolt 3 è stata utilizzata come host e una stazione di carico Thunderbolt 3 è stata usata come dispositivo. Un'antenna non direzionale è stata posizionata in una posizione a 5cm di distanza dal cavo di segnale Thunderbolt 3 sul cartone aggiuntivo. Il rumore irradiato dal cartone aggiuntivo è stato osservato dall'antenna non direzionale. Durante la comunicazione del segnale, i segnali PCI Express, DisplayPort e Thunderbolt 3 scorrono simultaneamente sulla scheda aggiuntiva.

EMC - 5 Intrasystem

Risultati di misurazione per il rumore che entra nell'antenna (nessuna misura di soppressione del rumore)Risultati di misurazione Murata ha determinato che il rumore a banda larga si è verificato a causa della comunicazione DisplayPort, PCI Express e Thunderbolt 3 nella portata da 2GHz to 4,5GHz, e questo rumore è entrato nell'antenna wireless (Figura 5, sotto).

In particolare, il rumore si è verificato nella banda di comunicazione WiFi (2,4GHz) e nella banda di comunicazione sub-6 (3,3GHz). Questo rumore deve essere eliminato per stabilizzare la comunicazione.

EMC - 6 Intrasystem

Misurazione del rumore in prossimità (nessuna misura di soppressione del rumore)Risultati di misurazione Per individuare i punti dove avviene il rumore, la scheda era misurata usando un tester EMC in grado di mappare il campo magnetico in prossimità (Figura 6, sotto). Eseguendo vari tipi di comunicazione, il rumore a banda larga è stato propagato sulla linea di segnale TX Thunderbolt 3, sulla linea di segnale TX PCI Express Gen3 e sulla linea di segnale DisplayPort sul cartone aggiuntivo.

Si ritiene che questo rumore a banda larga si irradi nello spazio dalla linea di segnale ed entri nell'antenna wireless. Di conseguenza, ciò si traduce in cadute di sensibilità di ricezione WiFi e sensibilità di ricezione sub-6.

Questo problema dovrebbe verificarsi anche in USB 4, che ha praticamente le stesse specifiche elettriche di Thunderbolt 3.

EMC - 7 Intrasystem

Posizione di inserimento dei componenti di soppressione del rumore Dalle valutazioni precedenti, Murata ha scoperto che il rumore a banda larga che si irradia dalle linee di segnale PCI Express, DisplayPort e Thunderbolt 3 durante la comunicazione Thunderbolt 3 ha ridotto la sensibilità nella comunicazione wireless.

In risposta, Murata ha installato le CMCC NFG0QHB372 sulle linee di segnale, che erano i percorsi di conduzione del rumore, per sopprimere il rumore irradiato dai cavi (Figura 7, sotto).

EMC - 8 Intrasystem

Risultati di misurazione della sensibilità di ricezione (dopo l'implementazione delle misure di soppressione del rumore)Risultati della misurazione L'installazione delle CMCC NFG0QHB372 sulle linee di segnale (Figura 8, sotto) ha migliorato di 3 dB nella sensibilità di ricezione WiFi (2,4 GHz) durante la comunicazione PCI Express, DisplayPort e Thunderbolt 3 rispetto all'uso senza CMCC.

EMC - 9 Intrasystem

Risultati delle misurazioni per il rumore che entra nell'antenna (dopo l'implementazione di misure di soppressione del rumore) Risultati di misurazione Il rumore che entra nell'antenna è stato ridotto fino a 8 dB (Figura 9, sotto). La frequenza del rumore inserito deve essere utilizzata per selezionare un componente con specifiche in grado di sopprimere il rumore nella portata da 2,4GHz a 5GHz.

Controllo della forma d'onda del segnale - Processo

Procedura di misurazione del modello oculare Dato che come misura di soppressione del rumore sulla linea di segnale viene utilizzata una bobina di arresto di modo comune, è stato controllato il suo effetto sulla qualità del segnale (Figura 10, sotto). Il segnale per Thunderbolt 3 è stato controllato. Un modello di test Thunderbolt 3 è stato emesso dalla DUT, esaminando la qualità del segnale dopo il passaggio attraverso la CMCC.

Controllo della forma d'onda del segnale - Risultato

Misurazione del modello oculare Murata ha valutato se l'uso della bobina di arresto di modo comune avesse un effetto sulla qualità del segnale. Un modello di prova Thunderbolt 3 è stato emesso dal DUT, controllando la qualità del segnale dopo il passaggio attraverso la CMCC.

Anche se si utilizza una bobina di arresto di modo comune, la qualità della forma d'onda del segnale è identica a quella prima dell'inserimento del filtro e il test di conformità Thunderbolt 3 è stato superato.

Poiché USB 4 utilizza anche la stessa velocità di segnale (massimo 20 Gbps), il test della forma d'onda dovrebbe essere superato.

Conclusione

Rumore irradiato •Un ambiente operativo USB 4 è stato simulato per effettuare una valutazione del rumore.
•Nella portata da 30MHz a 1000MHz e in quella da 1GHz a 18GHz, non si è verificato alcun problema con il rumore irradiato.

Sensibilità di ricezione WiFi •La sensibilità di ricezione WiFi è stata ridotta quando PCI Express, DisplayPort 1.4 e Thunderbolt 3 erano in funzione.
•Il rumore nella banda da 2,4GHz, in particolare, è stato rilevato dai cavi della scheda quando l'USB 3.1 Gen 2 era in funzione.
•Si prevede che lo stesso rumore sia generato durante il funzionamento USB 4.
•L'uso di una bobina di arresto di modo comune elimina la caduta di sensibilità WiFi.

Qualità del segnale •Murata raccomanda i filtri di rumore in modalità comune NFG0QHB372HS2 e NFG0QHB542HS2 per implementare misure di soppressione del rumore senza incidere sulla qualità del segnale.

Forum della community

Il Forum della community di Murata offre contenuti ricercabili con vari argomenti di discussione, blog popolari e articoli. L'ampio team di supporto al mercato di Murata effettua revisioni periodiche per discutere questioni aperte, consentendo una risposta tempestiva alle richieste. Il contenuto del forum è liberamente accessibile al pubblico. Tuttavia, gli utenti devono effettuare l'accesso per pubblicare domande o risposte. La registrazione è gratuita.