Murata Rauschunterdrückung für USB 4

Integration von USB und Thunderbolt

Thunderbolt™ 3 hat den USB-Typ-C-Steckverbinder übernommen, so dass ein Thunderbolt 3-Anschluss auch als USB 3.1-Anschluss verwendet werden kann. Der USB-4-Standard wurde für eine vollständige Kompatibilität mit Thunderbolt 3 festgelegt. Die meisten elektrischen Spezifikationen für USB 4 basieren auf Thunderbolt 3.

Vergleich von Thunderbolt 3 und USB 4

USB 4 hat die gleiche maximale Datenübertragungsgeschwindigkeit wie Thunderbolt 3. Es gibt einige kleine Unterschiede in der Signalamplitude und anderen Spezifikationen. Die grundlegenden Spezifikationen sind jedoch identisch, so dass USB 4 die gleichen Rauschprobleme hat, die sich aus Datensignalen ergeben und die gleichen Signalqualitätsmaßnahmen wie für Thunderbolt 3 erfordert.

Erwartete Rauschprobleme mit USB

Während der USB-4-Kommunikation müssen zwei Arten von Rauschproblemen beachtet werden (siehe nachstehendes Diagramm). Das erste Problem stellt das Abstrahlungsrauschen dar, das von einem Board oder Kabel auf die Außenseite abgestrahlt wird und Auswirkungen auf die externen Bauteile hat. Das zweite Problem ist das Intrasystem-EMV-Rauschen, das andere Schaltungen im Bauteil stört, was zu Fehlfunktionen und einer reduzierten Leistung führt.

Rauschprobleme während der USB-4-Kommunikation – 1
        •  Abgestrahlte Emissionen: Rauschprobleme, bei denen Rauschen vom USB-4-Bauteil oder -Kabel abgestrahlt wird.
Rauschprobleme während der USB-4-Kommunikation – 2
        •Intrasystem-EMV (Abfall der WLAN-Empfangsempfindlichkeit): Rauschen, bei dem Rauschen, das von Datensignalen ausgeht, die WLAN-Antenne im Gerät während der USB-4-Kommunikation stört, was zu einer niedrigeren Empfindlichkeit der WLAN-Kommunikation führt.

Hinweis: Geräte, die zu einer USB-4-Kommunikation fähig sind, waren im Februar 2020 nicht verfügbar. Aus diesem Grund führte Murata Rauschbewertungen mit Bauteilen durch, die über Thunderbolt 3 kommunizieren können, das praktisch die gleichen elektrischen Eigenschaften wie USB 4 aufweist.

Rauschunterdrückungsmaßnahmen für USB 4

Wirksame Maßnahmen zur Unterdrückung von Rauschen, das während der USB-4-Kommunikation auftritt:
        •  Installation von Gleichtakt-Drosselspulen (CMCCs) auf den Differential-Übertragungsleitungen des Hosts und Bauteils.
        •  Platzierung der CMCCs in der Nähe des ICs.
        •  Auswahl der CMCC-Positionen, um zu verhindern, dass Rauschen von den Drähten abgestrahlt wird.

Diese wichtigen Punkte sind für eine wirksame Rauschunterdrückung erforderlich. Das nachstehende vereinfachte Diagramm (unten) zeigt ein Beispiel für die Installationsstellen der Gleichtakt-Drosselspule (CMCC) für die Kombination eines Bauteils und eines Hosts, die zu einer USB-4-, USB 3.1 Gen 2-, PCI Express- und DisplayPort-Kommunikation fähig sind.

Messung von abgestrahltem Rauschen

Um den Betriebsstatus zu simulieren, wenn die USB-4-Kommunikation auf einem PC durchgeführt wird, wurde ein PC mit einer Docking-Station verbunden, die zu einer Thunderbolt 3-, DisplayPort-, Ethernet- und USB-Kommunikation fähig ist. Der Pegel des abgestrahlten Rauschens wurde aus einer Entfernung von 3 m gemessen.

Um ein anderes Rauschen als das des Hosts und Bauteils zu entfernen, wurden die Anschlusskabel und alle Bauteile, mit Ausnahme des Hosts und Bauteils, abgeschirmt.

Messung des abgestrahlten Rauschens

Messergebnisse
Es wurde kein Rauschen, das die Standardwerte überschreitet, in den MHz- oder GHz-Bändern festgestellt. Dies ermöglichte Murata, eine ausreichende Marge sicherzustellen und Murata ist sehr zuversichtlich, dass abgestrahlte Emissionen kein Problem für USB 4 darstellen werden.

Intrasystem-EMV – 1

Übersicht über DUT (Thunderbolt 3-kompatible Add-in-Karte)
Als Nächstes führte Murata eine Rauschbewertung mit einer Thunderbolt 3-kompatiblen Add-in-Karte anstelle von USB 4 durch, um die Auswirkungen der Intrasystem EMV zu untersuchen. Die Add-in-Karte verfügt nur über einen Thunderbolt 3-kompatiblen IC.

Was die Konfiguration (Abbildung 1, unten) betrifft, sind das PCI Express-Signal (8 GBit/s x 4 Leitungen) und das DisplayPort-Signal (5,4 GBit/s x 4 Leitungen) ein Eingang zum Thunderbolt 3 IC auf der Karte und der Thunderbolt 3 IC erzeugt ein Thunderbolt 3-Signal (20 GBit/s x 2 Leitungen), das von einem Typ-C-Steckverbinder ausgegeben wird. 

Intrasystem-EMV – 2

Bewertung der Auswirkungen auf die WLAN-Empfangsempfindlichkeit
Zur Überprüfung der Auswirkungen von Rauschen, das von den Board-Drähten abgestrahlt wird, war nur die DUT in einer Abschirmungsbox untergebracht und die WLAN-Empfangsempfindlichkeit eines nahegelegenen Smartphones wurde gemessen (Abbildung 2, unten).

Bei Notebook-PCs, die USB 4 enthalten sollen, gibt es einen wachsenden Trend, die WLAN-Antenne auf dem Hauptboard anstatt auf dem Display zu installieren und der Abstand zwischen der Differentialleitung und der Antenne wird sich voraussichtlich um ca. 5 cm nähern. Aus diesem Grund führte Murata die Bewertung mit den Board-Drähten und dem Smartphone, die durch 5 cm getrennt sind, durch. (Dies simuliert den Abstand zwischen der Antenne und der Signalleitung in einem Notebook-PC.)

Intrasystem-EMV – 3

Messergebnisse der WLAN-Empfangsempfindlichkeit (keine Rauschunterdrückungsmaßnahmen)
Beispiel einer Bewertung der WLAN-Empfangsempfindlichkeit
Murata hat den Grad der Auswirkung auf die WLAN-Empfangsempfindlichkeit durch einen USB-4-Betrieb untersucht (Abbildung 3, unten).

Als verschiedene Arten der Datenkommunikation durchgeführt wurden, sank die Empfangsempfindlichkeit des WLANs (2,4-GHz-Band) um ca. 3 dB. Dies ist wahrscheinlich auf Störungen der Antenne durch Rauschen zurückzuführen, das während der Kommunikation erzeugt wurde. In dieser DUT konnte kein Abfall der Empfangsempfindlichkeit im 5-GHz-Band festgestellt werden.

Intrasystem-EMV – 4

Bewertung des Rauschens, das in die Antenne eintritt
Beispiel einer Bewertung für Rauschen, das in die Antenne eintritt
Murata hat dann den Rauschpegel, der in die nahegelegene Antenne eintritt, überprüft. Bei dieser Bewertung wurde ebenfalls einen Abstand von ca. 5 cm zwischen der Differential-Signalleitung und der Antenne eingehalten.

In der Konfiguration (Abbildung 4, unten) wurde eine Thunderbolt 3 Add-in-Karte als Host verwendet und eine Thunderbolt 3 Docking-Station wurde als Bauteil eingesetzt. Eine ungerichtete Antenne wurde an einer Stelle mit einem Abstand von 5 cm zum Thunderbolt 3-Signaldraht auf dem Add-in-Karten-Board platziert. Das Rauschen, das vom Add-in-Karten-Board abgestrahlt wird, wurde bei der ungebündelten Antenne festgestellt. Während der Signalkommunikation fließen Signale von PCI Express, DisplayPort und Thunderbolt 3 gleichzeitig auf der Add-in-Karte.

Intrasystem-EMV – 5

Messergebnisse für Rauschen, das in die Antenne eintritt (keine Rauschunterdrückungsmaßnahmen)
Messergebnisse
Das Breitbandrauschen, das aufgrund der DisplayPort-, PCI Express- und Thunderbolt 3-Kommunikation im 2-GHz- bis 4,5-GHz-Bereich auftrat und in die drahtlose Antenne eintrat (Abbildung 5, unten) wurde von Murata ermittelt.

Insbesondere trat Rauschen im WLAN-Kommunikationsband (2,4 GHz) und im Sub-6-Kommunikationsband (3,3 GHz) auf. Dieses Rauschen muss unterdrückt werden, um die Kommunikation zu stabilisieren.

Intrasystem-EMV – 6

Messung des Nahfeldrauschens (keine Rauschunterdrückungsmaßnahmen)
Messergebnisse
Zur Identifizierung der Stellen, an denen Rauschen aufgetreten ist, wurde das Board mit einem EMV-Prüfgerät, welches das Nah-Magnetfeld abbilden kann, gemessen (Abbildung 6, unten). Durch den Einsatz verschiedener Arten von Kommunikation wurde das Breitbandrauschen auf der Thunderbolt 3 TX-Signalleitung, PCI Express Gen3 TX-Signalleitung und DisplayPort-Signalleitung auf der Add-in-Karte verbreitet.

Es wird angenommen, dass dieses Breitbandrauschen von der Signalleitung in den Raum abgestrahlt wird und in die drahtlose Antenne eintritt. Dies führt zu einem Abfall der WLAN-Empfangsempfindlichkeit und der Sub-6-Empfangsempfindlichkeit.

Dieses Problem wird auch in USB 4 auftreten, das über die gleichen elektrischen Spezifikationen verfügt wie Thunderbolt 3.

Intrasystem-EMV – 7

Einsetzstelle der Rauschunterdrückungskomponenten
In früheren Bewertungen entdeckte Murata, dass Breitbandrauschen, das von PCI Express, DisplayPort und Thunderbolt 3 Signalleitungen während der Thunderbolt 3-Kommunikation abgestrahlt wird, die Empfindlichkeit in der drahtlosen Kommunikation reduziert.

Als Reaktion darauf installierte Murata NFG0QHB372 CMCCs auf den Signalleitungen, welche die Leitungspfade des Rauschens waren, um das Rauschen das von Drähten abgestrahlt wird, zu unterdrücken (Abbildung 7, unten).

Intrasystem-EMV – 8

Messergebnisse der Empfangsempfindlichkeit (nach der Implementierung von Rauschunterdrückungsmaßnahmen)
Messergebnisse
Die Installation von NFG0QHB372 CMCCs auf den Signalleitungen (Abbildung 8, unten) verbesserte die Empfangsempfindlichkeit um 3 dB in WLAN (2,4 GHz), während die PCI Express-, Display Port- und Thunderbolt 3-Kommunikation zur Verwendung ohne CMCCs verglichen wurde.

Intrasystem-EMV – 9

Messergebnisse für Rauschen, das in die Antenne eintritt (nach der Implementierung von Rauschunterdrückungmaßnahmen)
Messergebnisse
Das Rauschen, das in die Antenne eintritt, wurde um bis zu 8 dB reduziert (Abbildung 9, unten). Die Frequenz des eingegebenen Rauschens muss zur Auswahl einer Komponente verwendet werden, die über Spezifikationen verfügt, die das Rauschen im Bereich von 2,4 GHz bis 5 GHz unterdrücken kann.

Signalwellenformprüfung – Verfahren

Augenmuster-Messverfahren
Da eine Gleichtakt-Drosselspule als Rauschunterdrückungsmaßnahme auf der Signalleitung verwendet wird, wurde ihr Einfluss auf die Signalqualität ebenfalls überprüft (Abbildung 10, unten). Das Signal für Thunderbolt 3 wurde geprüft. Ein Thunderbolt 3-Testmuster wurde von der DUT ausgegeben und die Signalqualität nach dem Durchgang durch die CMCC wurde überprüft.

Signalwellenformprüfung – Ergebnis

Augenmuster-Messung
Murata prüfte, ob die Verwendung der Gleichtakt-Drosselspule einen Einfluss auf die Signalqualität hatte. Ein Thunderbolt 3-Testmuster wurde von der DUT ausgegeben und die Signalqualität nach dem Durchgang durch die CMCC wurde überprüft.

Auch wenn eine Gleichtakt-Drosselspule verwendet wird, ist die Qualität der Signalwellenform identisch mit derjenigen vor dem Einsetzen des Filters und der Thunderbolt 3-Konformitätstest wurde bestanden.

Da USB 4 über die gleiche Signalgeschwindigkeit (max. 20 GBit/s) verfügt, wird erwartet, dass der Wellenformtest bestanden wird.

Fazit

Abgestrahltes Rauschen
        •  Eine USB-4-Betriebsumgebung wurde für die Durchführung einer Rauschbewertung simuliert.
•  Im Bereich von 30 MHz bis 1.000 MHz und im Bereich von 1 GHz bis 18 GHz gab es kein Problem mit abgestrahltem Rauschen.

WLAN-Empfangsempfindlichkeit
•  Die WLAN-Empfangsempfindlichkeit wurde reduziert, wenn PCI Express, DisplayPort 1.4 und Thunderbolt 3 in Betrieb waren.
•  Rauschen im 2,4-GHz-Band wurde insbesondere von den Board-Drähten gefunden, wenn USB 3.1 Gen 2 in Betrieb war.
        • Es wird erwartet, dass das gleiche Rauschen während des USB-4-Betriebs auftreten wird.
        •  Die Verwendung einer Gleichtakt-Drosselspule verhindert einen Abfall der WLAN-Empfindlichkeit.

Signalqualität
        •Murata empfiehlt die NFG0QHB372HS2 und NFG0QHB542HS2 Gleichtaktrauschfilter, um Rauschunterdrückungsmaßnahmen zu implementieren, ohne die Signalqualität zu beeinträchtigen.

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