Murata USB 4のノイズ抑制

USBとThunderboltの統合

Thunderbolt™ 3には、USB Type-Cコネクタが採用されているため、Thunderbolt 3ポートをUSB 3.1ポートとして使用することもできます。USB 4規格は、Thunderbolt 3との完全な互換性を目的に定義されました。USB 4の大半の電気仕様は、Thunderbolt 3に基づいています。

Thunderbolt 3とUSB 4の比較

USB 4には、Thunderbolt 3と同じ最大データ転送速度があります。信号振幅やその他の仕様には若干の違いがあります。しかしながら、基本的な仕様は同じであり、USB 4にはデータ信号に起因する同じノイズが発生するため、Thunderbolt 3と同じ信号品質の注意が必要になります。

USBでの予想されるノイズ問題

USB 4の通信中は、下記の図に示す2つのタイプのノイズ問題に対して注意が必要です。最初のノイズは、ボードやケーブルから外部に放射し、外部装置に影響を与える放射ノイズです。2つ目のノイズは、イントラシステムEMCノイズであり、デバイス内の他の回路に干渉して誤動作や性能の低下を引き起こします。

USB 4通信中のノイズの問題 - 1
        • 放射妨害波: USB 4デバイスまたはケーブルからノイズが放射されるノイズの問題です。
USB 4通信通のノイズ問題 - 2
        •イントラシステムEMC (Wi-Fi受信感度の低下): データ信号から発生するノイズがUSB 4通信中にデバイス内部のWi-Fiアンテナに干渉するとノイズが発生し、Wi-Fi通信の感度が低下します。

注: 2020年2月現在、USB 4通信が可能なデバイスはご利用いただけません。このような理由からMurataは、USB 4と実質的に同一の電気的特性を有するThunderbolt 3による通信が可能なデバイスを使用してノイズ評価を実施しました。

USB 4のノイズ抑制対策

USB 4通信中に発生するノイズの抑制に効果的な対策:
        • ホストとデバイスの差動伝送線にコモンモードチョークコイルCMCCを設置します。
        • ICの近くにCMCCを配置します。
        •ノイズがワイヤから放射されるのを防ぐためにCMCCの場所を選択してください。

これらのキーポイントは効果的なノイズ抑制に必要です。下記の簡略図（下）は、USB 4、USB 3.1 Gen 2、PCI Express、DisplayPort通信が可能なデバイスとホストの組み合わせのためのコモンモードチョークコイル（CMCC）の設置場所の例を示しています。

放射ノイズの計測

PCでUSB 4通信が実行されている時に動作状態のシミュレーションを行うために、Thunderbolt 3、DisplayPort、Ethernet、USB通信を実施できるドッキングステーションにPCを接続しました。放射ノイズレベルは3mの距離から計測されます。

それ以外のノイズをホストとデバイスから排除するために、接続ケーブルとホストとデバイスを除くすべての機器を密閉しました。

放射ノイズの計測

計測結果
標準値を超えるノイズは、MHzまたはGHz帯域で観測されませんでした。これによってMurataは、十分なマージンを確保できます。また、放射妨害波はUSB 4の問題ではないと確信しています。

イントラシステムEMC - 1

DUT（Thunderbolt 3互換アドインカード）の概要
次に、イントラシステムEMCの降下を検証するために、Murataは、USB4の代わりにThunderbolt 3互換アドインカードを使用してノイズ評価を実施しました。アドインカードには、Thunderbolt 3互換ICのみがあります。

構成（下の図1）に関しては、PCI Express信号（8Gbps x 4レーン）およびDisplayPort信号（5.4Gbps x 4レーン）がカードのThunderbolt 3 ICに入力されます。また、Thunderbolt 3 ICは、Type-Cコネクタから出力されるThunderbolt 3信号（20Gbps x 2レーン）を生成します。

イントラシステムEMC - 2

Wi-Fi受信感度に及ぼす影響の評価
ボード線から放射されたノイズの影響を確かめるために、密閉された箱にDUTだけを格納し、スマートフォンの近くのWi-Fi受信感度を計測しました（下の図2）。

USB 4の搭載が予想されるノートブックPCでは、ディスプレイの代わりにメインボードにWi-Fiアンテナを設置すると、差動線とアンテナの間の距離が約5cmに近づく傾向があります。このような理由からMurataは、ボード線とスマートフォンを5cm離して評価を行いました。（これは、ノートPC内のアンテナと信号線の間の距離のシミュレーションを実施します。）

イントラシステムEMC - 3

Wi-Fi受信感度（ノイズ抑制対策なし）の計測結果
Wi-Fi受信感度の評価の例
Murataは、USB 4操作によるWi-Fi受信感度への影響の程度を検証しました（下の図3）。

さまざまなタイプのデータ通信を実行すると、Wi-Fi（2.4GHz帯域）受信感度レベルは約3dB低下しました。これは、通信中に発生するノイズによってアンテナとの干渉が発生したためと考えられます。このDUTでは、5GHz帯域での受信感度の低下は見られませんでした。

イントラシステムEMC - 4

アンテナに入るノイズの評価
アンテナに入るノイズの評価の例
続いてMurataは、近くのアンテナに入るノイズのレベルを検証しました。この評価では、差動信号線とアンテナの間の約5cmの距離も使用しました。

構成（下の図4）では、Thunderbolt 3アドインカードをホストとして使用し、Thunderbolt 3ドッキングステーションをデバイスとして使用しました。非指向性アンテナは、アドインカードボードのThunderbolt 3信号線から5cm離れた場所に配置されました。無指向性アンテナからアドインカードボードからのノイズが観測されました。信号通信中、PCI Express、DisplayPort、Thunderbolt3信号がアドインカード上で同時に流れています。

イントラシステムEMC - 5

アンテナに入るノイズの計測結果（ノイズ抑制対策なし）
計測結果
Murataは、ブロードバンド・ノイズは、2GHz～4.5GHzの範囲でDisplayPort、PCI Express、Thunderbolt 3通信によって発生し、このノイズがワイヤレス・アンテナに入ったと判断しました（下の図5）。

特に、Wi-Fi通信帯域（2.4GHz）とSub-6通信帯域（3.3GHz）でノイズが発生しました。このノイズは、通信を安定させるために抑制する必要があります。

イントラシステムEMC - 6

近距離ノイズの計測（ノイズ抑制対策なし）
計測結果
ノイズが発生した場所を特定するために、近傍磁界をマッピングできるEMC試験装置を使用してボードを計測しました（下の図6）。さまざまなタイプの通信を実行することによって、アドインカードボードのThunderbolt 3 TX信号線、PCI Express Gen3 TX信号線、DisplayPort信号線でブロードバンドノイズが伝搬されました。

このブロードバンドノイズは信号線からの空間で放射し、無線アンテナに入ると考えられています。その結果、Wi-Fiの受信感度とSub-6受信感度の低下につながります。

USB 4にはThunderbolt 3と実質的に同じ電気的仕様があるため、この問題はUSB 4でも発生することが予想されます。

イントラシステムEMC - 7

ノイズ抑制部品を挿入する場所
前回の評価からMurataは、ワイヤレス通信の感度が低下するThunderbolt 3通信中にPCI Express、DisplayPort、Thunderbolt 3信号線から放射されるブロードバンドノイズを発見しました。

これに対してMurataは、ワイヤからのノイズ放射の抑制を目的に、ノイズの伝導経路である信号線にNFG0QHB372 CMCCを設置しました。（下の図7）。

イントラシステムEMC - 8

受信感度の計測結果（ノイズ抑制対策の実施後）
計測結果
信号線にNFG0QHB372 CMCCを設置すると（下の図8）、CMCCを使用しない場合とく比較してPCI Express、DisplayPort、Thunderbolt 3通信中にWi-Fi（2.4GHz）受信感度で3dB改善しました。

イントラシステムEMC - 9

アンテナに入るノイズの計測結果（ノイズ抑制対策の実施後）
計測結果
アンテナに入るノイズが最大8dB低減しました（下の図9）。入力ノイズの周波数を使用して、2.4GHz～5GHzの範囲でノイズを抑制できる仕様の部品を選択する必要があります。

信号波形の確認 - プロセス

アイパターン計測の手順
信号線で計測されるノイズの対策としてコモンモードチョークコイルが使用されているため、信号品質も確認すると効果的でした（下の図10） Thunderbolt 3の信号が確認されました。DUTからThunderbolt 3の試験パターンが出力され、CMCCを通過した後の信号品質がレビューされました。

信号波形の確認 - 結果

アイパターンの計測
Murataは、コモンモードチョークコイルの使用が信号品質に影響を及ぼすか否かを検証しました。DUTからThunderbolt 3の試験パターンが出力されCMCCを通過した後の信号品質を確認しました。

コモンモードチョークコイルが使用されていても信号波形の品質はフィルタが挿入される前と同じで、Thunderbolt 3の適合試験に合格しました。

USB 4にも同じ信号速度（最大20Gbps）が使用されており、波形試験に合格すると予期できます。

結論

放射されたノイズ
        • ノイズ評価を実施するためにUSB 4動作環境のシミュレーションをおこないました。
        •30MHz～1000MHzおよび1GHz～18GHzの範囲では、放射されたノイズに問題はありませんでした。

Wi-Fi受信感度
        • PC Express、DisplayPort 1.4、Thunderbolt 3が動作している間にWi-Fi受信感度が低減しました。
        •6y 特に2.4GHz帯域でのノイズは、USB 3.1 Gen2の動作中にボード線から見られました。
        • USB 4動作時にも同様のノイズが発生すると予想できます。
        • コモンモードチョークコイルの使用によってWi-Fi感度の低下がなくなりました。

信号品質
        • Murataは、信号品質に影響を及ぼさないノイズ抑制対策の実施にNFG0QHB372HS2およびNFG0QHB542HS2コモンモードノイズフィルタを推奨しています。

コミュニティフォーラム

Murataコミュニティフォーラムは、さまざまなディスカッショントピック、人気のブログ、記事をはじめとする検索可能なコンテンツを提供しています。Murataの幅広い市場サポートチームは、未解決の課題について話し合うために定期的にレビューを実施し、問い合わせにタイムリーに回答できるようにしています。フォーラムのコンテンツは無料で公開されています。ただし、質問や回答を投稿するユーザーはログインする必要があります。登録は無料です。