Murata USB 4에 대한 잡음 억제

USB 및 Thunderbolt 통합

Thunderbolt™ 3는 USB Type-C 커넥터를 채택하여 Thunderbolt 3 포트를 USB 3.1 포트로 사용할 수도 있습니다. USB 4 표준은 Thunderbolt 3과 완벽하게 호환되도록 지정되었습니다. USB 4의 전기 사양은 대부분 Thunderbolt 3에 기반합니다.

Thunderbolt 3 및 USB 4의 비교

USB 4는 Thunderbolt 3과 최대 데이터 전송 속도가 동일합니다. 신호 진폭 및 기타 사양에 약간의 차이가 있습니다. 기본 사양은 동일하므로 USB 4는 데이터 신호에서 발생하는 동일한 잡음 문제가 있으며 Thunderbolt 3과 동일한 신호 품질 관리가 필요합니다.

USB의 예상되는 잡음 문제

USB 4 통신 중에는 아래 그림과 같이 두 가지 유형의 소음 문제에 주의를 기울여야 합니다. 첫 번째는 보드 또는 케이블에서 외부로 방사되고 외부 장치에 영향을 주는 방사 잡음입니다. 두 번째는 장치 내부의 다른 회로를 방해하여 오작동 및 성능 저하를 초래하는 인트라시스템 EMC 잡음입니다.

USB 4 통신 중에 발생하는 잡음 문제 - 1
• 방사 방출: USB 4 장치 또는 케이블에서 잡음이 방출되는 잡음 문제.
USB 4 통신 중 소음 문제 - 2
• 인트라시스템 EMC(Wi-Fi 수신 감도 강하): 데이터 신호로 인해 발생하는 잡음이 USB 4 통신 중에 장치 내부의 Wi-Fi 안테나를 방해하는 소음 문제로 인해 Wi-Fi 통신 감도가 낮아집니다.

참고: 2020년 2월부터 USB 4 통신이 가능한 장치를 사용할 수 없습니다. 이러한 이유로 Murata는 USB 4와 실제로 동일한 전기적 특성을 가진 Thunderbolt 3를 통해 통신할 수 있는 장치를 사용하여 잡음을 평가합니다.

USB 4에 대한 잡음 억제 조치

USB 4 통신 중에 발생하는 잡음 억제에 대한 효과적인 조치:
• CMCC(공통 모드 초크 코일)을 호스트 및 장치의 차동 전송 라인에 설치합니다.
• CMCC를 IC 근처에 놓습니다.
• CMCC 위치를 선택하면 전선에서 잡음이 방사되는 것을 방지할 수 있습니다.

이러한 핵심 사항은 효과적인 소음 억제를 위해 필요합니다. 아래의 단순 다이어그램(아래)은 장치와 USB 4, USB 3.1 Gen 2, PCI Express 및 DisplayPort 통신이 가능한 호스트의 조합을 위한 CMCC(공통 모드 초크 코일) 설치 위치의 예를 보여줍니다.

방사 잡음 측정

PC 내에서 USB 4 통신이 수행될 때 작동 상태를 시뮬레이션하기 위해 PC는 Thunderbolt 3, DisplayPort, 이더넷 및 USB 통신이 가능한 도킹 스테이션에 연결되었습니다. 방사 잡음 레벨은 3m의 거리에서 측정되었습니다.

호스트 및 장치에서 잡음이 아닌 다른 잡음을 제거하기 위해, 호스트 및 장치를 제외한 연결 케이블과 모든 장비를 차폐시켰습니다.

방사 잡음 측정

측정 결과
표준값을 초과하는 잡음이 MHz 또는 GHz 대역에서 관찰되지 않았습니다. 이러한 특징 덕분에 Murata는 충분한 마진을 보장할 수 있었고 Murata는 방사 방출이 USB 4에 문제가 되지 않을 것이라고 확신합니다.

인트라시스템 EMC - 1

DUT의 개요(Thunderbolt 3 호한 애드인 카드)
다음으로, Murata는 인트라시스템 EMC의 영향을 조사하기 위해 USB 4 대신 Thunderbolt 3 호환 추가 카드를 사용하여 소음에 대한 평가를 수행했습니다. 애드인 카드에는 Thunderbolt 3 호환 IC만 있습니다.

구성(아래 그림 1)의 경우, PCI Express 신호(8Gbps x 4 레인) 및 DisplayPort 신호(5.4Gbps x 4 레인)가 카드의 Thunderbolt 3 IC의 입력이 되고 Thunderbolt 3 IC는 Type-C 커넥터에서 출력되는 Thunderbolt 3 신호(20Gbps x 2 레인)를 생성합니다. 

인트라시스템 EMC - 2

Wi-Fi 수신 감도에 대한 영향력 평가
보드 와이어에서 방사되는 잡음의 영향을 확인하기 위해 DUT만 차폐 박스에 넣었으며 인접한 스마트폰의 Wi-Fi 수신 감도를 측정했습니다(아래 그림 2).

USB 4가 포함될 것으로 예상되는 노트북 PC에서는 디스플레이 대신 메인보드에 Wi-Fi 안테나를 설치하는 경향이 증가하고 있으며 차동 라인과 안테나 사이의 거리는 약 5cm에 접근할 것으로 예상됩니다. 이러한 이유로 Murata는 5cm로 분리된 보드 와이어와 스마트폰으로 평가 작업을 수행했습니다.(이 장치는 노트북 PC 내부의 안테나와 신호선 사이의 거리를 시뮬레이션합니다.)

인트라시스템 EMC - 3

Wi-Fi 수신 감도의 측정 결과(잡음 억제 조치 없음)
Wi-Fi 수신 감도 평가의 예
Murata는 USB 4 작동에 의한 Wi-Fi 수신 감도에 미치는 영향(아래 그림 3)의 정도를 조사했습니다.

다양한 유형의 데이터 통신이 수행되면 Wi-Fi(2.4GHz 대역) 수신 감도 레벨은 약 3dB까지 떨어집니다. 이는 통신 중에 생성된 잡음에 의한 안테나 간섭 때문일 수 있습니다. 이 DUT에서 5GHz 대역에서 수신 감도가 한 방울 떨어진 것을 발견하지 못했습니다.

인트라시스템 EMC - 4

안테나에 유입되는 잡음 평가
안테나에 유입되는 잡음 평가에 대한 예시
Murata는 그런 다음 인접한 안테나로 유입되는 잡음 레벨을 확인했습니다. 이 평가에서는 차동 신호 라인과 안테나 사이의 거리도 약 5cm가 사용되었습니다.

구성(그림 4, 아래)에서 Thunderbolt 3 애드인 카드가 호스트로 사용되었고 Thunderbolt 3 도킹 스테이션이 장치로 사용되었습니다. 애드인 카드 보드의 Thunderbolt 3 신호 와이어에서 5cm 거리에 있는 위치에 지향성 안테나가 배치되었습니다. 애드인 카드보드에서 방사되는 잡음은 무지향성 안테나에서 관찰되었습니다. 신호 통신 중에 PCI Express, DisplayPort 및 Thunderbolt 3 신호가 애드인 카드에서 동시에 흐르고 있습니다.

인트라시스템 EMC - 5

안테나로 유입되는 잡음에 대한 측정 결과(잡음 억제 조치 없음)
측정 결과
Murata는 2~4.5GHz 범위에서 DisplayPort, PCI Express 및 Thunderbolt 3 통신으로 인해 광대역 잡음이 발생했으며 이러한 잡음이 무선 안테나로 유입되었다고 판단했습니다(아래 그림 5).

특히, Wi-Fi 통신 대역(2.4GHz) 및 sub-6 통신 대역(3.3GHz)에서 잡음이 발생했습니다. 통신을 안정화하려면 이러한 잡음을 억제해야 합니다.

인트라시스템 EMC - 6

근거리장 잡음 측정(잡음 억제 조치 없음)
측정 결과
잡음이 발생한 위치를 식별하기 위해 근거리장을 매핑할 수 있는 EMC 테스터를 사용하여 보드를 측정했습니다(아래 그림 6). 다양한 유형의 통신을 수행함으로써 광대역 잡음이 추가 카드 보드의 Thunderbolt 3 TX 신호 라인, PCI Express Gen3 TX 신호 라인 및 DisplayPort 신호 라인에 전파되었습니다.

이러한 광대역 잡음이 신로 라인 공간으로 방사되고 무선 안테나로 유입되는 것으로 간주됩니다. 그 결과 Wi-Fi 수신 감도 및 sub-6 수신 감도가 떨어집니다.

이 문제는 USB 4에서도 발생할 것으로 예상되는데, 이 USB 4는 사실상 Thunderbolt 3과 전기 사양이 동일합니다.

인트라시스템 EMC - 7

잡음 억제 구성 요소 삽입 위치
이전 평가에서 Murata는 Thunderbolt 3 통신 중에 PCI Express, DisplayPort 및 Thunderbolt 3 신호 라인에서 방출되는 광대역 잡음이 무선 통신의 감도를 감소시킨다는 사실을 발견했습니다.

Murata는 와이어에서 방사되는 잡음을 억제하기 위해 잡음의 전도 경로였던 신호 라인에 NFG0QHB372 CMCC를 설치했습니다(아래 그림 7).

인트라시스템 EMC - 8

수신 감도 측정 결과(잡음 억제 조치 실시 후)
측정 결과
신호 라인(아래 그림 8)에 NFG0QHB372 CMCC를 설치하면 CMCC가 없이 사용하는 것에 비해 PCI Express, DisplayPort 및 Thunderbolt 3 통신 중에 Wi-Fi(2.4GHz) 수신 감도가 3dB 향상되었습니다.

인트라시스템 EMC - 9

안테나로 유입되는 잡음 측정 결과(잡음 억제 조치 실시 후)
측정 결과
안테나로 유입되는 잡음은 최대 8dB까지 감소했습니다(아래 그림 9). 유입된 잡음 주파수를 사용하여 2.4~5GHz 범위에서 잡음을 억제할 수 있는 사양을 가진 구성 요소를 선택해야 합니다.

신호 파형 점검 - 프로세스

안구 패턴 측정 절차
공통 모드 초크 코일이 신호 라인에서 잡음 억제 조치로 사용되므로 신호 품질에 대한 영향도 확인했습니다(아래 그림 10). Thunderbolt 3 신호가 확인되었습니다. DUT에서 Thunderbolt 3 테스트 패턴이 출력되었으며 CMCC를 통과한 후 신호 품질을 검토했습니다.

신호 파형 점검 - 결과

안구 패턴 측정
Murata는 공통 모드 초크 코일의 사용이 신호 품질에 어떤 영향을 미치는지 검사했습니다. DUT에서 Thunderbolt 3 테스트 패턴이 출력되었으며 CMCC를 통과한 후 신호 품질을 확인했습니다.

공통 모드 초크 코일을 사용하더라도 필터를 삽입하기 전에 신호 파형 품질이동일하고 Thunderbolt 3 규정 준수 테스트를 통과했습니다.

USB 4는 또한 동일한 신호 속도(최대 20Gbps)를 사용하므로 파형 테스트가 통과할 것으로 예상됩니다.

결론

방사 잡음
• 잡음 평가를 수행하기 위해 USB 4 작동 환경을 시뮬레이션했습니다.
• 30~1,000MHz 및 1~18GHz 범위에서 방사 잡음에 문제가 없었습니다.

Wi-Fi 수신 감도
• PCI Express, DisplayPort 1.4 및 Thunderbolt 3이 작동할 때 Wi-Fi 수신 감도가 감소했습니다.
• 특히, USB 3.1 Gen 2가 작동할 때 보드 와이어에서 2.4GHz 대역에서의 잡음이 발견되었습니다.
• USB 4 작동 중에도 동일한 잡음이 발생할 것으로 예상됩니다.
• 공통 모드 초크 코일을 사용할 때 Wi-Fi 감도에서 드롭이 제거되었습니다.

신호 품질
• Murata는 NFG0QHB372HS2 및 NFG0QHB542HS2 공통 모드 잡음 필터를 사용하여 신호 품질에 영향을 주지 않고 잡음 억제 기능을 구현할 것을 권장합니다.

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