USB 3.0 隱藏缺陷 2.4GHz 射頻干擾：原理、影響、解決一次看懂

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。