1.USB3.0和2.4GHz無線設(shè)備

1.1 USB3.0

USB作為規(guī)范計(jì)算機(jī)與外部設(shè)備連接和通訊的接口技術(shù)，自推出以來，由于其傳輸速度快、支持熱插拔、連接靈活、獨(dú)立供電、使用方便等特點(diǎn)備受用戶青睞，已成功替代串口和并口，并已在各種設(shè)備上得到普及，如計(jì)算機(jī)、智能手機(jī)、攝像機(jī)、打印機(jī)、鍵盤、鼠標(biāo)、磁盤驅(qū)動(dòng)器、便攜式媒體播放器和網(wǎng)絡(luò)適配器等，成為目前主流計(jì)算機(jī)和智能設(shè)備的標(biāo)準(zhǔn)擴(kuò)展接口和必備接口之一。

USB協(xié)議于1996年1月發(fā)布了最早的USB1.0版本，規(guī)定了1.5Mbit/s（低速）和12Mbit/s（全速）的信號(hào)傳輸速率。在1998年8月發(fā)布了USB 1.1版本之后，USB協(xié)議開始被廣泛使用。2000年4月發(fā)布的USB2.0版本在USB1.x的低速和全速傳輸速率基礎(chǔ)上，增加了更高的最大傳輸速率480Mbit/s（高速）。USB3.0協(xié)議于2008年11月發(fā)布，增加了一個(gè)速率為5.0Gbit/s（超高速）傳輸模式，插頭、插座和電纜均向下兼容。2019年8月，USB4.0協(xié)議已經(jīng)由USB-IF制定，但是其發(fā)展到產(chǎn)品應(yīng)用還需要很長一段時(shí)間。

USB3.0除增加了超高速的傳輸模式外，還采用了8b/10b編碼方式，通過8b/10b編碼進(jìn)行加擾并轉(zhuǎn)換為10位符號(hào)。8b/10b編碼方式有助于接收器在有電磁干擾（EMI）的情況下也能正確解碼。為了降低EMI的影響，增加了SSC（擴(kuò)頻時(shí)鐘）技術(shù)，使得信號(hào)不完全分布在一個(gè)固定頻率上。數(shù)據(jù)頻譜可以被建模為一個(gè)“sinc”函數(shù)，如圖1所示。

圖1 USB3.0數(shù)據(jù)速率的“sinc”函數(shù)

如圖1，USB3.0數(shù)據(jù)頻譜非常寬，其范圍從直流到5GHz。圖2為Intel通過直接探測一臺(tái)筆記本電腦的一對(duì)USB3.0發(fā)射信號(hào)所測量到的數(shù)據(jù)頻譜。可以看出，輻射功率隨頻率下降，在2.4GHz頻段約有-60dBm，到5GHz頻段只有-90dBm。

圖2 Intel測量的USB3.0數(shù)據(jù)頻譜

1.2.  2.4GHz無線設(shè)備

2.4GHz ISM頻段是一個(gè)公開通用的無線電頻段，可用于無線路由器、鼠標(biāo)或鍵盤等無線PC外設(shè)等設(shè)備。這些設(shè)備可能使用IEEE 802.11b/g/n或藍(lán)牙等標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議，也可能使用專有協(xié)議。無線電設(shè)備可以使用跳頻，也可以在一個(gè)固定的頻率上工作。

為了使無線射頻接收器正確地檢測到接收的信號(hào)，接收的信號(hào)功率必須大于無線電設(shè)備的靈敏度。接收器的靈敏度限制受到解調(diào)所需的最小信噪比（SNR）的影響。接收器靈敏度、發(fā)射信號(hào)功率、接受和發(fā)射天線增益以及無線鏈路路徑損耗可確定接收端的信號(hào)和噪聲功率，進(jìn)一步?jīng)Q定了可實(shí)現(xiàn)的無線范圍。

隨著發(fā)射器和接收器之間距離的增加，接收器輸入端的信號(hào)功率也隨之下降。同時(shí)，在較長的鏈路中，寬帶噪聲的增加將降低接收端的實(shí)際信噪比。這就降低了無線范圍。接收端可獲得的信噪比減少了，就需要相應(yīng)增加最小信號(hào)電平來克服接收器的靈敏度限制。

2.USB3.0電磁輻射

麥克斯韋方程組表明，隨時(shí)間變化的電流（時(shí)變電流）產(chǎn)生的電磁波可以被隔空感應(yīng)和接收，這是無線通信的基本原理，也是計(jì)算機(jī)等信息技術(shù)設(shè)備受到電磁干擾的主要原因。USB設(shè)備在工作時(shí)內(nèi)部存在大量時(shí)變電流，每個(gè)時(shí)變電流都會(huì)產(chǎn)生電磁波。這些電磁波如同小型無線電廣播電臺(tái)的發(fā)射信號(hào)，可以在遠(yuǎn)距離被接收到。USB3.0接口、數(shù)據(jù)線和USB3.0設(shè)備本身都會(huì)對(duì)外界產(chǎn)生干擾，雖然USB3.0線纜通常具有良好的屏蔽性，但兩端的接口處和USB3.0設(shè)備本身仍會(huì)產(chǎn)生較大的電磁輻射。如果拆開一個(gè)USB3.0的線，會(huì)發(fā)現(xiàn)外面有屏蔽層等保護(hù)，但其接頭處裸露在外，不完全封閉，沒有做到完全屏蔽，導(dǎo)致USB3.0在接口處對(duì)外產(chǎn)生較大的電磁輻射。輻射的強(qiáng)度與線纜上傳輸?shù)男盘?hào)強(qiáng)度（電壓、電流、頻率等）呈正相關(guān)，且與屏蔽層的屏蔽強(qiáng)度呈負(fù)相關(guān)。

3.USB3.0噪聲的影響

如圖2所示，在2.4GHz-2.5GHz范圍內(nèi)，USB3.0數(shù)據(jù)頻譜的噪聲可能很高。這種噪聲可以從PC上的USB3.0接口、外設(shè)的USB3.0接口、USB3.0線纜輻射出來，如圖3所示。如果在這個(gè)頻段工作的無線設(shè)備的天線靠近上述任何一個(gè)USB3.0輻射通道，它就會(huì)接收到寬帶噪聲。從USB3.0設(shè)備發(fā)射的寬帶噪聲可以影響信噪比，并限制靠近USB3.0設(shè)備的任何無線設(shè)備接收器的靈敏度。這可能導(dǎo)致無線鏈路的吞吐量下降。

圖3 USB3.0輻射通道

Intel使用USB3.0硬盤驅(qū)動(dòng)器（HDD）評(píng)估了從USB3.0設(shè)備中輻射出來的噪聲水平，測試設(shè)置如圖4所示。

圖4 測量USB3.0硬盤驅(qū)動(dòng)器噪聲的設(shè)置

一個(gè)近場探頭被放置在一個(gè)射頻吸收室中的USB3.0 HDD附近，在連接和不連接HDD的情況下，使用頻譜分析儀進(jìn)行噪聲測量。測量結(jié)果如圖5。連接HDD后，2.4GHz頻段的噪底提高了近20dB，增加的噪聲可能會(huì)影響無線設(shè)備的靈敏度。

圖5 來自USB3.0硬盤驅(qū)動(dòng)器的噪聲

隨后，Intel以一個(gè)無線鼠標(biāo)為例，測試了USB3.0噪聲對(duì)無線設(shè)備性能的影響。測試裝置如圖6所示，采用一條3英尺（不到1米）長的USB3.0線纜將USB3.0硬盤驅(qū)動(dòng)器連接到筆記本電腦的USB3.0接口。在相鄰的USB2.0端口上，連接了無線鼠標(biāo)接收器。

圖6 在有USB3.0設(shè)備的情況下測量無線設(shè)備性能的設(shè)置

鼠標(biāo)按設(shè)定的增量從筆記本電腦旁移開，并在每個(gè)增量上對(duì)鼠標(biāo)的性能進(jìn)行評(píng)估。以使用鼠標(biāo)的平滑度和響應(yīng)作為評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)。

表1顯示了鼠標(biāo)“A”在USB3.0設(shè)備存在時(shí)的反應(yīng)。

表1 USB3.0設(shè)備存在時(shí)鼠標(biāo)的反應(yīng)

如表1所示，當(dāng)USB3.0設(shè)備連接到筆記本電腦上時(shí)，無線鼠標(biāo)的性能會(huì)有所下降。在離筆記本電腦3英尺及以上的距離，鼠標(biāo)的反應(yīng)出現(xiàn)了明顯的滯后。無論USB3.0外設(shè)是在寫入數(shù)據(jù)，還是僅僅連接到筆記本電腦，對(duì)鼠標(biāo)性能的影響都是一樣的。

如果使用U盤等USB3.0設(shè)備，也會(huì)對(duì)無線鼠標(biāo)的性能產(chǎn)生類似影響。由于USB3.0的噪聲是寬帶的，它有可能影響到任何靠近的無線設(shè)備。

4.緩解方法

實(shí)際上，USB3.0的擴(kuò)頻處理導(dǎo)致其頻譜從0Hz一直覆蓋到5GHz。這個(gè)由USB 3.0產(chǎn)生的噪聲是一種寬頻噪聲，無法被過濾消除。

為了降低USB3.0噪聲對(duì)無線設(shè)備性能的影響，我們可以在以下三個(gè)方面進(jìn)行改進(jìn)。

4.1 屏蔽USB3.0外設(shè)

如前所述，由于USB3.0數(shù)據(jù)頻譜產(chǎn)生的噪聲會(huì)從USB3.0外設(shè)及其接口處輻射出來。適當(dāng)?shù)仄帘蜺SB3.0外設(shè)和其接口可以降低在2.4GHz頻段發(fā)射出來的噪聲。

為了證明這一點(diǎn)，Intel對(duì)外部HDD的不同區(qū)域進(jìn)行屏蔽，并測量每一種情況下2.4GHz頻段內(nèi)發(fā)射的噪聲。屏蔽USB3.0外設(shè)可以對(duì)發(fā)射到2.4GHz ISM的噪聲量產(chǎn)生很大影響。完全屏蔽硬盤跟不屏蔽硬盤相比，可以減少大約12dB的噪聲輻射量。

4.2 改善筆記本USB3.0連接器的屏蔽性能

除了來自USB3.0外設(shè)的輻射外，噪聲還可以從PC的USB3.0接口輻射出來。筆記本對(duì)USB3.0接口的屏蔽措施通常是屏蔽信號(hào)引腳。在此基礎(chǔ)上，我們還可以對(duì)接口的屏蔽做一些改進(jìn)，可以在插座上增加一個(gè)背部屏蔽等。

Intel測量了筆記本USB3.0接口輻射的噪聲水平，筆記本USB3.0接口輻射的噪聲可以使噪底增加約25dB，會(huì)影響無線接收器的信噪比。在進(jìn)行屏蔽改進(jìn)后，2.4GHz頻段的噪聲水平至少下降了10dB。

4.3 無線天線的擺放

將無線設(shè)備天線放置在盡量遠(yuǎn)離USB3.0設(shè)備或USB3.0接口的位置，也可以減輕USB3.0對(duì)無線設(shè)備的干擾。

為了評(píng)估無線接收天線相對(duì)USB3.0接口或設(shè)備位置的影響，Intel對(duì)圖6中的測試設(shè)置做如下改動(dòng)。對(duì)于圖7中的Case2，使用USB2.0延長線將無線接收器從USB3.0設(shè)備或接口附近移開，放置在筆記本電腦的另一側(cè)。在Case3中，將無線接收器連接在USB3.0接口上方的USB2.0接口上。在Case2和Case3中，都使用了一個(gè)U盤作為外設(shè)。

圖7 無線接收天線相對(duì)于USB3.0設(shè)備位置的影響

這兩種情況下的鼠標(biāo)性能如表2。無線接收器相對(duì)于USB3.0設(shè)備或接口的位置對(duì)無線設(shè)備的性能有很大影響。將無線天線放在遠(yuǎn)離USB3.0接口或設(shè)備的地方，可以降低噪聲的影響。

表2 無線接收器在不同位置時(shí)鼠標(biāo)的響應(yīng)

前面介紹了幾種降低噪聲的方法。可以通過有效的屏蔽來降低從USB3.0設(shè)備發(fā)出的噪聲，這有助于無線接收器端保持良好的信噪比。以鼠標(biāo)“A” 與筆記本“A”通信為例，應(yīng)用前述的緩解方法所獲得的性能改進(jìn)如表3。當(dāng)只對(duì)筆記本“A”的USB3.0接口的做屏蔽改進(jìn)，鼠標(biāo)的響應(yīng)距離可增加到大約6英尺。當(dāng)對(duì)外設(shè)也做全屏蔽處理時(shí)，鼠標(biāo)在大約8英尺處的響應(yīng)性能仍沒有下降。

表3 鼠標(biāo)在改進(jìn)屏蔽性能前后的響應(yīng)

5.總    結(jié)

由USB3.0數(shù)據(jù)頻譜產(chǎn)生的噪聲會(huì)對(duì)靠近USB3.0設(shè)備或USB3.0接口的無線設(shè)備產(chǎn)生影響。這種噪聲是一種無法被過濾掉的寬帶噪聲，因?yàn)樗鼘儆跓o線設(shè)備的工作頻段（2.4GHz-2.5GHz）。噪聲會(huì)降低無線設(shè)備的信噪比，并限制其靈敏度。這就縮小了設(shè)備的無線工作范圍。

在PC上，若發(fā)現(xiàn)無線設(shè)備的性能因靠近USB3.0外設(shè)或USB3.0接口而受到影響，可以嘗試使用前述的三個(gè)緩解方法。通過對(duì)USB3.0外設(shè)包裹屏蔽或改善PC上USB3.0接口屏蔽，可以幫助降低由于USB3.0傳輸信號(hào)而輻射的噪聲量，從而減少2.4GHz-2.5GHz范圍內(nèi)的噪聲?？紤]無線設(shè)備天線的擺放位置，盡可能的遠(yuǎn)離USB3.0接口和設(shè)備。

參考文獻(xiàn)

[1]    USB-IF. https://www.usb.org/

[2]    Intel USB. 3.0* Radio Frequency Interference Impact on 2.4 GHz Wireless Devices[J]. White Paper, Apr, 2012.