1.USB3.0和2.4GHz無線設備

1.1 USB3.0

USB作為規范計算機與外部設備連接和通訊的接口技術，自推出以來，由于其傳輸速度快、支持熱插拔、連接靈活、獨立供電、使用方便等特點備受用戶青睞，已成功替代串口和并口，并已在各種設備上得到普及，如計算機、智能手機、攝像機、打印機、鍵盤、鼠標、磁盤驅動器、便攜式媒體播放器和網絡適配器等，成為目前主流計算機和智能設備的標準擴展接口和必備接口之一。

USB協議于1996年1月發布了最早的USB1.0版本，規定了1.5Mbit/s（低速）和12Mbit/s（全速）的信號傳輸速率。在1998年8月發布了USB 1.1版本之后，USB協議開始被廣泛使用。2000年4月發布的USB2.0版本在USB1.x的低速和全速傳輸速率基礎上，增加了更高的最大傳輸速率480Mbit/s（高速）。USB3.0協議于2008年11月發布，增加了一個速率為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協議已經由USB-IF制定，但是其發展到產品應用還需要很長一段時間。

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編碼進行加擾并轉換為10位符號。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（擴頻時鐘）技術，使得信號不完全分布在一個固定頻率上。數據頻譜可以被建模為一個“sinc”函數，如圖1所示。

圖1 USB3.0數據速率的“sinc”函數

如圖1，USB3.0數據頻譜非常寬，其范圍從直流到5GHz。圖2為Intel通過直接探測一臺筆記本電腦的一對USB3.0發射信號所測量到的數據頻譜。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數據頻譜

1.2.  2.4GHz無線設備

2.4GHz ISM頻段是一個公開通用的無線電頻段，可用于無線路由器、鼠標或鍵盤等無線PC外設等設備。這些設備可能使用IEEE 802.11b/g/n或藍牙等標準協議，也可能使用專有協議。無線電設備可以使用跳頻，也可以在一個固定的頻率上工作。

為了使無線射頻接收器正確地檢測到接收的信號，接收的信號功率必須大于無線電設備的靈敏度。接收器的靈敏度限制受到解調所需的最小信噪比（SNR）的影響。接收器靈敏度、發射信號功率、接受和發射天線增益以及無線鏈路路徑損耗可確定接收端的信號和噪聲功率，進一步決定了可實現的無線范圍。

隨著發射器和接收器之間距離的增加，接收器輸入端的信號功率也隨之下降。同時，在較長的鏈路中，寬帶噪聲的增加將降低接收端的實際信噪比。這就降低了無線范圍。接收端可獲得的信噪比減少了，就需要相應增加最小信號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，隨時間變化的電流（時變電流）產生的電磁波可以被隔空感應和接收，這是無線通信的基本原理，也是計算機等信息技術設備受到電磁干擾的主要原因。USB設備在工作時內部存在大量時變電流，每個時變電流都會產生電磁波。這些電磁波如同小型無線電廣播電臺的發射信號，可以在遠距離被接收到。USB3.0接口、數據線和USB3.0設備本身都會對外界產生干擾，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設備本身仍會產生較大的電磁輻射。如果拆開一個USB3.0的線，會發現外面有屏蔽層等保護，但其接頭處裸露在外，不完全封閉，沒有做到完全屏蔽，導致USB3.0在接口處對外產生較大的電磁輻射。輻射的強度與線纜上傳輸的信號強度（電壓、電流、頻率等）呈正相關，且與屏蔽層的屏蔽強度呈負相關。

3.USB3.0噪聲的影響

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

圖3 USB3.0輻射通道

Intel使用USB3.0硬盤驅動器（HDD）評估了從USB3.0設備中輻射出來的噪聲水平，測試設置如圖4所示。

圖4 測量USB3.0硬盤驅動器噪聲的設置

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

圖5 來自USB3.0硬盤驅動器的噪聲

隨后，Intel以一個無線鼠標為例，測試了USB3.0噪聲對無線設備性能的影響。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硬盤驅動器連接到筆記本電腦的USB3.0接口。在相鄰的USB2.0端口上，連接了無線鼠標接收器。

圖6 在有USB3.0設備的情況下測量無線設備性能的設置

鼠標按設定的增量從筆記本電腦旁移開，并在每個增量上對鼠標的性能進行評估。以使用鼠標的平滑度和響應作為評估標準。

表1顯示了鼠標“A”在USB3.0設備存在時的反應。

表1 USB3.0設備存在時鼠標的反應

如表1所示，當USB3.0設備連接到筆記本電腦上時，無線鼠標的性能會有所下降。在離筆記本電腦3英尺及以上的距離，鼠標的反應出現了明顯的滯后。無論USB3.0外設是在寫入數據，還是僅僅連接到筆記本電腦，對鼠標性能的影響都是一樣的。

如果使用U盤等USB3.0設備，也會對無線鼠標的性能產生類似影響。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備。

4.緩解方法

實際上，USB3.0的擴頻處理導致其頻譜從0Hz一直覆蓋到5GHz。這個由USB 3.0產生的噪聲是一種寬頻噪聲，無法被過濾消除。

為了降低USB3.0噪聲對無線設備性能的影響，我們可以在以下三個方面進行改進。

4.1 屏蔽USB3.0外設

如前所述，由于USB3.0數據頻譜產生的噪聲會從USB3.0外設及其接口處輻射出來。適當地屏蔽USB3.0外設和其接口可以降低在2.4GHz頻段發射出來的噪聲。

為了證明這一點，Intel對外部HDD的不同區域進行屏蔽，并測量每一種情況下2.4GHz頻段內發射的噪聲。屏蔽USB3.0外設可以對發射到2.4GHz ISM的噪聲量產生很大影響。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外設的輻射外，噪聲還可以從PC的USB3.0接口輻射出來。筆記本對USB3.0接口的屏蔽措施通常是屏蔽信號引腳。在此基礎上，我們還可以對接口的屏蔽做一些改進，可以在插座上增加一個背部屏蔽等。

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，會影響無線接收器的信噪比。在進行屏蔽改進后，2.4GHz頻段的噪聲水平至少下降了10dB。

4.3 無線天線的擺放

將無線設備天線放置在盡量遠離USB3.0設備或USB3.0接口的位置，也可以減輕USB3.0對無線設備的干擾。

為了評估無線接收天線相對USB3.0接口或設備位置的影響，Intel對圖6中的測試設置做如下改動。對于圖7中的Case2，使用USB2.0延長線將無線接收器從USB3.0設備或接口附近移開，放置在筆記本電腦的另一側。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U盤作為外設。

圖7 無線接收天線相對于USB3.0設備位置的影響

這兩種情況下的鼠標性能如表2。無線接收器相對于USB3.0設備或接口的位置對無線設備的性能有很大影響。將無線天線放在遠離USB3.0接口或設備的地方，可以降低噪聲的影響。

表2 無線接收器在不同位置時鼠標的響應

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設備發出的噪聲，這有助于無線接收器端保持良好的信噪比。以鼠標“A” 與筆記本“A”通信為例，應用前述的緩解方法所獲得的性能改進如表3。當只對筆記本“A”的USB3.0接口的做屏蔽改進，鼠標的響應距離可增加到大約6英尺。當對外設也做全屏蔽處理時，鼠標在大約8英尺處的響應性能仍沒有下降。

表3 鼠標在改進屏蔽性能前后的響應

5.總    結

由USB3.0數據頻譜產生的噪聲會對靠近USB3.0設備或USB3.0接口的無線設備產生影響。這種噪聲是一種無法被過濾掉的寬帶噪聲，因為它屬于無線設備的工作頻段（2.4GHz-2.5GHz）。噪聲會降低無線設備的信噪比，并限制其靈敏度。這就縮小了設備的無線工作范圍。

在PC上，若發現無線設備的性能因靠近USB3.0外設或USB3.0接口而受到影響，可以嘗試使用前述的三個緩解方法。通過對USB3.0外設包裹屏蔽或改善PC上USB3.0接口屏蔽，可以幫助降低由于USB3.0傳輸信號而輻射的噪聲量，從而減少2.4GHz-2.5GHz范圍內的噪聲。考慮無線設備天線的擺放位置，盡可能的遠離USB3.0接口和設備。

參考文獻

[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.