01. USB4的標準及普及

作為主要用于在電腦等Host設備和Device設備間傳輸數據的差動接口標準，USB（Universal Serial Bus）現已得到廣泛普及。

隨著市場對于高速通信的大容量數據傳輸、多個差動接口標準的整合化需求的增加，USB4已在2019年9月被規定為全新標準。

今后，USB4將以電腦及其周邊設備方面為主，得到進一步普及。

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標準可與Thunderbolt 3實現完全兼容。

USB4的大部分電氣性能參數都以Thunderbolt 3為基礎。

03. Thunderbolt 3和USB4的規格及比較

USB4擁有與Thunderbolt 3相同的最快數據傳輸速度。

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

04. USB中可能出現的噪聲問題

USB4進行通信時，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；與設備內部的其他電路之間產生干擾、導致出現錯誤操作或性能降低的內部系統EMC噪聲。

USB4進行通信時的噪聲問題：1

■輻射噪聲

從USB4設備或電纜輻射噪聲的噪聲問題。

USB4進行通信時的噪聲問題：2

■內部系統EMC（Wi-Fi接收靈敏度低下）

USB4進行通信時，因數據信號而產生的噪聲在設備內部干擾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USB4通信的設備（截止至2020年2月）。

因此，我們利用電氣性能參數和USB4基本相同的Thunderbolt 3，對能夠通信的設備進行了噪聲評估。

05. USB4的降噪措施

USB4進行通信時的降噪措施為以下三種：

在Host設備和Device設備的差分傳輸線上裝入共模扼流圈（CMCC）

將CMCC安裝在IC附近

安裝可防止導線輻射的CMCC

上述措施是有效降噪的關鍵。

下圖為可進行USB4、USB3.1 Gen2、PCI Express、DisplayPort通信的Host設備和Device設備的組合中，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、為了模擬在電腦內部進行USB4通信時的運作狀態，我們將可以進行Thunderbolt 3、DisplayPort、Ethernet和USB通信的擴展塢連接至電腦，并從3米遠處測量了輻射噪聲等級。

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

07. 輻射噪音的測量結果

測量結果

在MHz和GHz頻段未檢測出超過標準值的噪聲。

因此可以認為，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. 內部系統EMC：DUT（支持Thunderbolt 3的擴展卡）的概要

其次，為了調查內部系統EMC的影響，我們使用了支持Thunderbolt 3的擴展卡代替USB4，并對噪聲進行了評估。

擴展卡中僅安裝有支持Thunderbolt 3的IC。

■關于構造

擴展卡的構造如下：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. 內部系統EMC：對Wi-Fi接收靈敏度的影響的評估

為了確認基板導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的Wi-Fi接收靈敏度進行了測量。

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出由顯示器變為主板的趨勢，差動信號線和天線之間的距離預計將縮短到5厘米。

因此，在本次評估中我們也將基板導線和智能手機之間的距離設定為5厘米。

（模擬筆記本電腦內部的天線和信號線之間的距離）

10.

內部系統EMC：Wi-Fi接收靈敏度的測量結果

（未采取措施）

Wi-Fi接收靈敏度的評估示例

我們就USB4的運作情況對于Wi-Fi接收靈敏度的影響程度進行了調查。

由于各種數據通信的進行，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生的噪聲對天線造成干擾的結果。

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象。

11. 內部系統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。

■關于構造

Host使用了Thunderbolt 3擴展卡，而Device則使用了Thunderbolt 3擴展塢。

在與擴展卡基板上的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展卡基板輻射出的噪聲。

進行信號通信時，PCI Express、DisplayPort、Thunderbolt 3信號同時通過擴展卡。

12.

內部系統EMC：與天線耦合的噪聲的測量結果

（未采取措施）

測量結果

測量結果表明，在2～4.5GHz的頻段下會產生由DisplayPort、PCI Express、Thunderbolt 3通信所導致的寬頻噪聲，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）尤其會產生噪聲，為了使通信狀態穩定，就必須先控制這些噪聲的產生。

13.

內部系統EMC：附近噪聲的測量

（未采取措施）

測量結果

為了判明產生噪聲的位置，我們使用了可以映射近場的EMC測量儀進行了測量。

由于各種通信的進行，擴展卡基板上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。

該原因導致Wi-Fi接收靈敏度和Sub6接收靈敏度有所下降。

我們推測這一現象在電氣特征參數與Thunderbolt 3基本相同的USB4上也有可能發生。

14. 內部系統EMC：降噪元件的插入位置

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

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

15.

內部系統EMC：接收靈敏度的測量結果

（采取措施后）

測量結果

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.

內部系統EMC：與天線耦合的噪聲測量結果

（采取措施后）

測量結果

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行了降噪處理，因此我們也對信號完整性所受到的影響進行了確認。進行確認的信號為Thunderbolt 3。

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

18. 確認信號波形：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行了確認。

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

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），因此也應該可以通過波形測試。

19.總結

1. 輻射噪音

模擬USB4的運作環境，對噪聲進行了評估。

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運行時，可測量到基板導線輻射出2.4GHz頻段的噪聲。

可推測USB4運行時也會產生同樣的噪聲。

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行降噪。

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