Murata Suppression du bruit pour USB 4

Intégration de USB et Thunderbolt

Thunderbolt™ 3 a adopté le connecteur USB-C pour qu'un port Thunderbolt 3 puisse également être utilisé comme port USB 3.1. La norme USB 4 a été définie pour une compatibilité complète avec Thunderbolt 3. La plupart des caractéristiques électriques de l'USB 4 sont basées sur Thunderbolt 3.

Comparaison de Thunderbolt 3 et USB 4

L'USB 4 a la même vitesse de transfert de données que le Thunderbolt 3. Il existe de légères différences dans l'amplitude du signal et d'autres caractéristiques. Cependant, les spécifications de base sont identiques, donc l'USB 4 aura les mêmes problèmes de bruit provenant des signaux de données et nécessitera le même soin de qualité de signal que Thunderbolt 3.

Problèmes de bruit anticipés avec USB

Pendant la communication USB 4, il faut faire attention à deux types de problèmes de bruit, comme illustré dans le diagramme ci-dessous. Le premier est le bruit de rayonnement qui se propage de la carte ou du câble vers l'extérieur et affecte les appareils externes. Le second est le bruit CEM intra-système qui interfère avec d'autres circuits à l'intérieur du dispositif, entraînant des dysfonctionnements et des performances réduites.

Problèmes de bruit lors de la communication USB 4 - 1
•problèmes de bruit lorsque le bruit est émis par un périphérique ou un câble USB 4.
Problèmes de bruit lors de la communication USB 4 - 2
•Intrasystem EMC (chute de la sensibilité de réception Wi-Fi) : problème de bruit dans lequel le bruit provenant des signaux de données interfère avec l'antenne Wi-Fi à l'intérieur de l'appareil pendant la communication USB 4, ce qui réduit la sensibilité de communication Wi-Fi.

Remarque : les dispositifs capables de communiquer via USB 4 n'étaient pas disponibles en février 2020. C'est pourquoi Murata a procédé à des évaluations du bruit à l'aide de dispositifs capables de communiquer par Thunderbolt 3, qui a pratiquement les mêmes caractéristiques électriques que l'USB 4.

Mesures de suppression du bruit pour USB 4

Mesures efficaces pour supprimer le bruit survenant pendant la communication USB 4 :
•Installer des bobines d'arrêt en mode commun (CMCC) sur les lignes de transmission différentielles de l'hôte et du dispositif
•Placer des CMCC à proximité du CI
•Sélectionner les emplacements des CMCC pour empêcher le bruit de rayonner à partir des fils.

Ces points clés sont nécessaires pour une suppression efficace du bruit. Le schéma simplifié (ci-dessous) ci-dessous montre un exemple d'emplacements d'installation de bobine d'arrêt en mode commun (CMCC) pour la combinaison d'un périphérique et d'un hôte capables de communiquer via USB 4, USB 3.1 Gen 2, PCI Express et DisplayPort.

Mesure du bruit rayonné

Pour simuler l'état de fonctionnement lorsque la communication USB 4 est effectuée au sein d'un PC, un PC a été connecté à une station d'accueil capable de communiquer via Thunderbolt 3, DisplayPort, Ethernet et USB. Le niveau de bruit rayonné a été mesuré à une distance de 3 m.

Pour éliminer le bruit autre que celui de l'hôte et du périphérique, les câbles de connexion et tous les équipements, à l'exception de l'hôte et du périphérique, ont été blindés.

Mesure du bruit rayonné

Résultats des mesures
Aucun bruit dépassant les valeurs standard n'a été observé dans les bandes MHz ou GHz. Cela a permis à Murata d'assurer une marge suffisante, et Murata est fermement convaincu que les émissions rayonnées ne poseront pas de problème pour l'USB 4.

CEM intra système - 1

Présentation du DUT (carte d'extension compatible Thunderbolt 3)
Ensuite, pour examiner l'effet de l'EMC intrasystème, Murata a réalisé une évaluation du bruit en utilisant une carte d'extension compatible Thunderbolt 3 à la place de l'USB 4. La carte d'extension dispose d'un CI compatible uniquement avec Thunderbolt 3.

En ce qui concerne la configuration (Figure 1, ci-dessous), le signal PCI Express (8 Gbps x 4 voies) et le signal DisplayPort (5,4 Gbps x 4 voies) sont entrés dans le circuit Thunderbolt 3 de la carte, et le circuit Thunderbolt 3 génère un signal Thunderbolt 3 (20 Gbps x 2 voies) émis par un connecteur de type C. 

CEM intra-système - 2

Évaluation de l'impact sur la sensibilité de réception Wi-Fi
Pour vérifier l'impact du bruit émis par les câbles de la carte, seul le DUT était logé dans un boîtier blindé, et la sensibilité de réception Wi-Fi d'un smartphone à proximité a été mesurée (Figure 2, ci-dessous).

Dans les ordinateurs portables qui devraient inclure l'USB 4, il existe une tendance croissante à installer l'antenne Wi-Fi sur la carte mère plutôt que sur l'écran, et la distance entre la ligne différentielle et l'antenne devrait approcher environ 5 cm. Pour cette raison, Murata a effectué l'évaluation avec les fils de la carte et le smartphone séparés de 5 cm. (Cela simule la distance entre l'antenne et la ligne de signal à l'intérieur d'un ordinateur portable.)

CEM intra-système - 3

Résultats de mesure de la sensibilité de réception Wi-Fi (aucune mesure de suppression du bruit)
Exemple d'évaluation de la sensibilité de réception Wi-Fi
Murata a examiné le degré d'impact sur la sensibilité de réception Wi-Fi par le fonctionnement USB 4 (Figure 3, ci-dessous).

Lorsque divers types de communication de données ont été effectués, le niveau de sensibilité de la réception Wi-Fi (bande 2,4 GHz) a chuté d'environ 3 dB. Cela était probablement dû à des interférences avec l'antenne causées par le bruit généré pendant la communication. Dans ce DUT, une baisse de sensibilité de réception dans la bande 5 GHz n'a pas été constatée.

CEM intra-système - 4

Évaluation du bruit entrant dans l'antenne
Exemple d'évaluation du bruit entrant dans l'antenne
Murata a ensuite vérifié le niveau de bruit entrant dans l'antenne voisine. Cette évaluation a également utilisé une distance d'environ 5 cm entre la ligne de signal différentiel et l'antenne.

Dans la configuration (Figure 4, ci-dessous), une carte d'extension Thunderbolt 3 a été utilisée comme hôte et une station d'accueil Thunderbolt 3 a été utilisée comme périphérique. Une antenne non directionnelle a été placée à 5 cm du fil de signal Thunderbolt 3 sur la carte d'extension. Le bruit émis par la carte d'extension a été observé à partir de l'antenne non directionnelle. Pendant la communication des signaux, les signaux PCI Express, DisplayPort et Thunderbolt 3 circulent simultanément sur la carte d'extension.

CEM intra-système - 5

Résultats de mesure du bruit entrant dans l'antenne (aucune mesure de suppression du bruit)
Résultats de mesure
Murata a déterminé qu'un bruit à large bande s'était produit en raison de la communication DisplayPort, PCI Express et Thunderbolt 3 dans la plage de 2 GHz à 4,5 GHz , et ce bruit est entré dans l'antenne sans fil (Figure 5, ci-dessous).

En particulier, du bruit s'est produit dans la bande de communication Wi-Fi (2,4 GHz) et la bande de communication inférieure à 6 (3,3 GHz). Ce bruit doit être supprimé afin de stabiliser la communication.

CEM intra-système - 6

Mesure du bruit en champ proche (aucune mesure de suppression du bruit)
Résultats de la mesure
Pour identifier les emplacements où le bruit s'est produit, la carte a été mesurée à l'aide d'un testeur CEM capable de cartographier le champ magnétique proche ( Figure 6, ci-dessous). En effectuant divers types de communication, le bruit à large bande s'est propagé sur la ligne de signal Thunderbolt 3 TX, la ligne de signal PCI Express Gen3 TX et la ligne de signal DisplayPort sur la carte d'extension.

On pense que ce bruit à large bande rayonne dans l'espace à partir de la ligne de signal et pénètre dans l'antenne sans fil. Par conséquent, cela entraîne des baisses de la sensibilité de réception Wi-Fi et de la sensibilité de réception inférieure à 6.

Ce problème devrait également se produire dans l'USB 4, qui a pratiquement les mêmes caractéristiques électriques que Thunderbolt 3.

CEM intra-système - 7

Emplacement d'insertion du composant de suppression du bruit
D'après des évaluations précédentes, Murata a découvert que le bruit à large bande émis par la ligne de signal PCI Express, DisplayPort et Thunderbolt 3 pendant la communication Thunderbolt 3 réduisait la sensibilité des communications sans fil.

En réponse, Murata a installé des CMCC NFG0QHB372 sur la ligne de signal, qui étaient les chemins de conduction du bruit, pour supprimer le bruit rayonnant des fils (Figure 7 ci-dessous).

CEM intra-système - 8

Résultats de mesure de la sensibilité de réception (après mise en œuvre de mesures de suppression du bruit)
Résultats de mesure
L'installation de CMCC NFG0QHB372 sur la ligne de signal (Figure 8, ci-dessous) a amélioré 3 dB en Wi -Sensibilité de réception Fi (2,4 GHz) pendant la communication PCI Express, DisplayPort et Thunderbolt 3 par rapport à une utilisation sans CMCC.

CEM intra-système - 9

Résultats de mesure du bruit entrant dans l'antenne (après la mise en œuvre de mesures de suppression du bruit)
Résultats de mesure
Le bruit entrant dans l'antenne a été réduit jusqu'à 8 dB (Figure 9 ci-dessous). La fréquence du bruit entrant doit être utilisée pour sélectionner un composant avec des spécifications capables de supprimer le bruit dans la plage de 2,4 GHz à 5 GHz.

Vérification de la forme d'onde du signal - Processus

Procédure de mesure du motif oculaire
Étant donné qu'une bobine d'arrêt en mode commun est utilisée comme mesure de suppression du bruit sur la ligne de signal, son effet sur la qualité du signal a également été vérifié (Figure 10, ci-dessous). Le signal pour Thunderbolt 3 a été vérifié. Un motif de test Thunderbolt 3 a été émis par le DUT et la qualité du signal après son passage par le CMCC a été examinée.

Vérification de la forme d'onde du signal - Résultat

Mesure du motif oculaire
Murata a examiné si l'utilisation de la bobine d'arrêt en mode commun avait un effet sur la qualité du signal. Un motif de test Thunderbolt 3 a été émis par le DUT et la qualité du signal après son passage par le CMCC a été vérifiée.

Même si une bobine d'arrêt en mode commun est utilisée, la qualité de la forme d'onde du signal est identique à celle d'avant l'insertion du filtre et le test de conformité Thunderbolt 3 a été réussi.

Étant donné que l'USB 4 utilise également la même vitesse de signal (maximum 20 Gbit/s), le test de forme d'onde devrait être réussi.

Conclusion

Bruit rayonné
•Un environnement de fonctionnement USB 4 a été simulé pour effectuer une évaluation du bruit.
•Dans les plages de 30 MHz à 1 000 MHz et de 1 GHz à 18 GHz, il n'y avait aucun problème de bruit rayonné.

Sensibilité de réception Wi-Fi
•La sensibilité de réception Wi-Fi était réduite lorsque PCI Express, DisplayPort 1.4 et Thunderbolt 3 fonctionnaient.
•Du bruit dans la bande 2,4 GHz, en particulier, a été détecté dans les câbles de la carte lorsque l'USB 3.1 Gen 2 fonctionnait.
•Le même bruit devrait être généré pendant le fonctionnement de l'USB 4.
•L'utilisation d'une bobine d'arrêt en mode commun a éliminé la baisse de la sensibilité Wi-Fi.

Qualité du signal
•Murata recommande les filtres de bruit en mode commun NFG0QHB372HS2 et NFG0QHB542HS2 pour mettre en œuvre des mesures de suppression du bruit sans affecter la qualité du signal.

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