643bb779c84dcc8dee5e317534a8ebff 好不容易Intel在7系列晶片組中內建USB 3.0控制器,正式帶動USB 3.0裝置的普及。加上晶片廠商單晶片USB 3.0控制器陸續出貨,將儲存裝置價格再往下拉。就拿USB 3.0隨身碟作為例子,同樣儲存容量的價格,USB 3.0隨身碟只比USB 2.0版本多個100~200元,雖然在此便宜的價位帶買不到寫入速度快的產品,但是讀取速度卻可受惠USB 3.0介面的頻寬翻兩翻。 另外1種急需渴望USB 3.0介面頻寬的周邊裝置即為無線網卡,特別是進入802.11ac之後,1T1R就有433Mbps的頻寬,2T2R的吞吐量就必須呼叫USB 3.0頻寬來幫忙,否則以USB 2.0的理論頻寬480Mbps來計算,將成為802.11ac無線網卡的傳輸瓶頸。

好不容易Intel在7系列晶片組中內建USB 3.0控制器,正式帶動USB 3.0裝置的普及。加上晶片廠商單晶片USB 3.0控制器陸續出貨,將儲存裝置價格再往下拉。就拿USB 3.0隨身碟作為例子,同樣儲存容量的價格,USB 3.0隨身碟只比USB 2.0版本多個100~200元,雖然在此便宜的價位帶買不到寫入速度快的產品,但是讀取速度卻可受惠USB 3.0介面的頻寬翻兩翻。 另外1種急需渴望USB 3.0介面頻寬的周邊裝置即為無線網卡,特別是進入802.11ac之後,1T1R就有433Mbps的頻寬,2T2R的吞吐量就必須呼叫USB 3.0頻寬來幫忙,否則以USB 2.0的理論頻寬480Mbps來計算,將成為802.11ac無線網卡的傳輸瓶頸。

規格表不告訴你的事

筆者並非負責儲存裝置的編輯,最初對於USB 3.0的細部規格並未深入研究,直到前幾個月借測D-Link DIR-868L這款採用BCM4708新款晶片的無線路由器時,發現網頁管理介面選單中提供了關閉USB 3.0的選項。

照常理來說,插入USB埠的裝置,如果支援USB 3.0就會自動運作於USB 3.0模式,若僅支援USB 2.0,則因少了USB 3.0多出的5根針腳,當然就不會運作在USB 3.0模式。這一切都在裝置插入USB埠的那一刻決定好了,不必使用者手動調整。不過就在觀察USB論壇官方網站上的報告時,發現的確有關閉USB 3.0的必要性。不過想了解其中原理就必須從頭說起,首先來看看USB 3.0是如何傳輸的。

 

▲實際上量測USB 3.0的頻譜,可看到2.5GHz一直到直流部分皆有訊號。(圖片來源:Intel文件327216-001)

USB 3.0 傳輸倍增

大家所熟知的USB 2.0使用4根接腳,除電源和接地各用去1根外,剩下的2條線材負責傳輸訊號,採用稱做差動訊號(Differential Signal)的方式傳輸。與1根訊號1根接地的傳輸方式比較,差動訊號同時在2根導線上傳遞訊號,訊號振幅相同、相位相反。

這麼做有4大好處,首先就是抗干擾能力佳,因為外來的電磁干擾同時作用在2條導線上(共模雜訊),兩者相減之後的值不變;再來則因傳遞相位相反的訊號,2條導線產生的電磁場相互抵消,對外電磁干擾小;再者則是因為以2條導線正負號交替作為判斷依據,而非採用電壓判斷,因此比較不容易受到零件溫度變化影響;最後就是差動訊號的電壓改變幅度可以做到比較小,降低裝置耗電量。

USB 2.0傳輸速度為480Mbps,所以差動訊號必須為240MHz,USB 3.0則是以USB 2.0的基礎再往上新增5條線(包含USB 2.0的4條總共為9條),4條線分別組成2對差動訊號傳,提供全雙工傳輸能力,剩下的1條做為整條導線的遮蔽以及接地。差動訊號運作頻率上也有所增加,從240MHz大幅提升至2.5GHz,才能達到5Gbps的頻寬。

導入展頻時脈

運作頻率越高,溢散出的電磁波較容易干擾其他電器,因此USB 3.0導入了高頻運作時經常會使用的展頻時脈(Spread Specturm Clock)解決。展頻對於訊號傳遞來說有好有壞,在此USB 3.0主要是擷取其好處,把原本集中在2.5GHz頻率的能量往上和往下延伸,讓原本存在於2.5GHz的能量降低,能量降低也就代表輻射出去的電磁波降低了。

USB 3.0以2.5GHz為中心,頻譜能量呈現Sin函數的絕對值分布,下次出現能量集中的地方為三次諧波7.5GHz,所以在USB 3.0線材規範中都有針對7.5GHz訂出要求。

成敗主因皆展頻

看到2.5GHz不知道各位讀者有沒有很熟悉?目前廣泛使用的無線傳輸技術大多集中於2.412~2.462GHz這個ISM頻段之間,802.11 b/g/n、藍牙、或是其他使用私有無線傳輸技術的滑鼠鍵盤都在這個頻段之內,跟USB 3.0差動訊號2.5GHz相當靠近。USB 3.0展頻之後的能量分布很不幸的覆蓋到2.4GHz頻段,而且原本單一的2.5GHz干擾展頻後,變成從直流到數GHz的寬頻干擾,無法使用濾波器完整濾波。

USB論壇針對此一現象,也僅能呼籲製造商將遮蔽做好,從USB插槽、線材、直到外接裝置端都需要做屏蔽接地的動作,盡量壓低輻射出來的電磁波。

 

▲插上USB 3.0裝置之後,雜訊部分比未插入之前多了約20dBm。(圖片來源:Intel文件327216-001)

 

802.11 產品先中槍

如同開頭文章所言,因為Broadcom BCM4708網路SoC晶片的出現,加入了USB 3.0連接埠,使得產品天線和連接埠相當接近,因而惡化了這問題(訊號強度與距離呈現2次方反比),迫使廠商不得不加強USB 3.0埠的遮蔽,或是直接在網頁管理介面裡提供關閉的選項,以避免無線網路速率下降或是連線範圍縮小等問題。

另一方面隨著USB 3.0控制器內建在筆電晶片組當中,數量也越來越多,使用者把儲存裝置或是無線接收器插在USB 3.0埠的機會大增,無線接收器的天線直接緊鄰干擾源,不用筆者敘述也知道這是件很糟的事。

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小白
2.  小白 (發表於 2013年12月18日 05:54)
好文。沒特別專文解說的話,我還真不知道有這回事呢(⊙ˍ⊙)
Chin Ming Yang
3.  Chin Ming Yang (發表於 2013年12月19日 13:56)
請問大大,您提到: 插入USB埠的裝置,如果支援USB 3.0就會自動運作於USB 3.0模式,若僅支援USB 2.0,則因少了USB 3.0多出的5根針腳,當然就不會運作在USB 3.0模式。這一切都在裝置插入USB埠的那一刻決定好了,不必使用者手動調整。

所以文末提到用USB2.0的延長線降干擾的方法,其實是變成讓裝置運作在USB2.0底下,這樣理解是對的嗎??(因為延長線也少了3.0多的腳位)
ian
4.  ian (發表於 2013年12月20日 16:20)
請問訊號強度與距離呈現3次方反比? or 2次方反比?

Thanks!
R.F.
5.  R.F. (發表於 2013年12月20日 19:24)
※ 引述《ian》的留言:
> 請問訊號強度與距離呈現3次方反比? or 2次方反比?
>
> Thanks!
腦殘了, 感謝指正
稚空
8.  稚空 (發表於 2014年4月05日 07:00)
5 GHz 的頻帶確比較空,但也是因為 5 GHz 訊號還蓋範圍通常比 2.4 GHz,訊號相對來說不好。所以大家才少用。
Dave Hsieh
9.  Dave Hsieh (發表於 2014年10月19日 10:17)
There is some technology can resolve this monster noise issue. But you need to create a perfect Highway from Source to Device terminals.
Otherwise , The meganetic-field inteference would be worse especiaaly at male and female connector. As for Wireless Mouse interference issue caused by adjacent USB 3.0 Device, You'd better to enahance the shielding-effectiveness against this impacted from PRBS7 signal of characteristic.

What I know is "Intel" and "USB 3.0 Committee" still keep their eyes " Closed"...If some of ariplane or Public transportation got accidents.

They are the "Culprit" due the initial spec. and Design strategy is only mainly forcus on "Time-Domain"...They ignore the impact from "frequency -domain" in the initiative perspective.

In my personal reserch, You are able to fix 10 dBm noise in near-field. via a good desined of EMI absorber + Connector enhancement.

If you are interested of the topic to fix this monster noise issue. You can contact my e-mail "
davidhsieh0723@gmail.com". Let's kill this monster in near future.

regards,


David Hsieh

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