Murata Rauschunterdrückung für USB 3.1

USB 3.1 Bauteil-Rauschsituation

Wie sieht die Situation für USB 3.1-Bauteile in Bezug auf das abgestrahlte Rauschen aus?

Die Rauschsituation des USB 3.1 Gen 1 ist ähnlich wie bei USB 3.0, d. h. es wurde ein USB 3.0 PC und ein externer HDD miteinander verbunden und das abgestrahlte Rauschen wurde geprüft (Abbildung 1, unten).

Typ-A-Typ-B- und Typ-C-Typ-C-Anschlusskabel wurden verwendet. Beide wiesen Rauschpegel innerhalb der Regelwerte für unerwünschtes abgestrahltes Rauschen auf, daher stellte dies kein Problem dar.

Angesichts dieser Ergebnisse wollte Murata wissen, ob eine Rauschunterdrückung für USB 3.1-Bauteile sinnvoll ist. Tatsächlich ist eine Rauschunterdrückung aus einem anderen Grund als die Rauschregelung für unerwünschtes abgestrahltes Rauschen erforderlich.

Abgestrahltes Rauschen mit USB 3.0-Funktion

Rauschprobleme in USB 3.1-Bauteilen

Digitale Geräte, wie z. B. ein Smartphone, enthalten immer mehr Kommunikationsfunktionen. Smartphones enthalten verschiedene digitale Schaltungen, die in einem kleinen Rahmen integriert sind und ein digitales Rauschen erzeugen.

Wenn dieses Rauschen in die Antenne des Smartphones eintritt, vermischt es sich mit den Funkwellen der Basisstation, was zu einer niedrigeren Empfangsempfindlichkeit führt. In der Regel werden ausreichende Gegenmaßnahmen ergriffen, um zu verhindern, dass das Rauschen direkt von den digitalen Boards in die Antenne eintritt. Wenn jedoch ein USB- oder ein anderes Schnittstellenkabel mit einem Smartphone verbunden ist, wird dieses Kabel zu einer Strahlungsquelle, so dass das Rauschen, das in die Antenne eintritt, ansteigt und die Empfangsempfindlichkeit senkt.

Rauschvergleich

Abbildung 2 (unten) zeigt das Rauschen, das in eine LTE-Empfangsblock-Antenne eintritt und in einer einfachen Messumgebung gemessen wird.Dies zeigt, dass der Rauschpegel um ca. 20 dB steigt, wenn ein USB-Kabel angeschlossen ist.

Rauschunterdrückung für USB-3.1-Bauteile

Eine wirksame Rauschunterdrückungsmethode für USB-3.1-Bauteile ist der Einsatz von Rauschfiltern auf dem Steckverbinder. Die Hochgeschwindigkeits-Differentialsignale fließen jedoch in die Signalleitungen, daher muss darauf geachtet werden, dass die verwendeten Filter die Signalqualität nicht beeinträchtigen.

Gleichtaktrauschfilter sind eine Art von Rauschfilter, die fast keine Auswirkungen auf Differentialsignale haben und ein Gleichtaktrauschen, das die Hauptursache für abgestrahltes Rauschen ist, wirksam verhindern. Daher werden die Gleichtaktrauschfilter für USB 3.1 in Differentialsignal-Leitungspaaren eingesetzt (Abbildung 3, unten).

Die Verwendung von Gleichtaktrauschfiltern ermöglicht die Reduzierung des Rauschpegels, der in die Antenne eintritt, um bis zu 10 dB (Abbildung 4, unten).

Einsetzstellen für Gleichtaktrauschfilter

Auswirkungen der Rauschdämpfung von Gleichtaktrauschfiltern

Zusätzliche Gegenmaßnahme – GND-Verbesserung

Außer der Verwendung von Rauschfiltern wurden auch Gegenmaßnahmen ergriffen, um den Rauschpegel weiter zu verbessern. USB-Kabel führen eine Differentialübertragung von Signalen mit einer verdrillten Doppelkabelstruktur aus, die das Rauschen nicht einfach abstrahlt.

Das Rauschen, das jedoch in die Kabelabschirmung eintritt, kann von der Abschirmung abgestrahlt werden, so dass das GND als Gegenmaßnahme verbessert wird.

Im gemessenen Bauteil wurden der USB-Anschluss und das Board zuerst mit einer einzelnen Schraube und mehreren Fingerdichtungen verbunden.

Der USB-Anschlussrahmen und das GND-Board des Smartphones wurden mit einem Kupferfolienband verbunden, was eine starke Verbindung ermöglicht und die Impedanz reduziert (Abbildung 5, unten).

Die Verbesserung des GND reduziert den Rauschpegel um ca. 6 dB bis 8 dB.

Auswirkung der GND-Verbesserung

Zusätzliche Gegenmaßnahmen – Austausch des Kabels

Verschiedene USB-Kabel können unterschiedliche abgestrahlte Rauschpegel haben.

Das USB-Kabel, das ursprünglich mit dem Bauteil geliefert wurde, wurde mit einem anderen kommerziell erhältlichen USB-Kabel ausgetauscht. Abbildung 6 (unten) zeigt die Ergebnisse. In diesem Fall hatte das mitgelieferte Kabel einen niedrigeren Rauschpegel mit einem Unterschied von bis zu 10 dB. Dies zeigt, wie wichtig die Auswahl eines geeigneten Kabels für die Rauschunterdrückung ist.

Der Unterschied im Rauschpegel aufgrund des Kabels

Fazit

Die verschiedenen Gegenmaßnahmen reduzieren das Rauschen, das in die Antenne eintritt, um bis zu 20 dB. Darüber hinaus verbessern sie, je nach Band, die LTE-Empfangsempfindlichkeit um ca. 8 dB (Abbildung 7, unten).

Dies verbessert den Empfangspegel, wenn ein USB-Kabel angeschlossen wurde, was zu einem USB-Bauteil führt, das den Servicebereich nicht reduziert.

Inhalt der Gegenmaßnahmen:
•  Gleichtaktrauschfilter einsetzen
        •  Das GND verbessern
        •  Auswahl eines geeigneten USB-Kabels

Zusammenfassung der Ergebnisse der Gegenmaßnahmen

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