摘 要
USB（通用串行总线，Universal Serial Bus）是一个外部总线标准，为计算机和外部设备之间的连接、通信和接口供电制定了电缆、连接器和协议的规范。USB3.0协议自2008年11月发布以来，经过十余年的发展，目前已普遍应用在各种电子设备上，支持USB3.0协议的USB主机和USB设备市场占有率不断提升。因此，针对USB3.0电磁辐射的研究具有重要意义。Intel在一份白皮书中，对USB3.0的电磁辐射进行了测试。将一个近场探针靠近USB3.0移动硬盘，接收到的频谱会在2.4GHz频段增加约20dB的噪声，造成对2.4GHz ISM频段的射频干扰。这种干扰会降低无线接收的灵敏度，进而缩减收讯范围，足以影响无线设备的正常使用。
本文首先对USB3.0和2.4GHz无线设备进行简单介绍，并结合麦克斯韦方程简要阐述电磁干扰的原理以及USB3.0的电磁辐射情况，然后通过白皮书中的测试实验设置，说明USB3.0电磁辐射对2.4GHz无线设备干扰的影响，最后给出其缓解方法。
1.1 USB3.0USB作为规范计算机与外部设备连接和通讯的接口技术，自推出以来，由于其传输速度快、支持热插拔、连接灵活、独立供电、使用方便等特点备受用户青睐，已成功替代串口和并口，并已在各种设备上得到普及，如计算机、智能手机、摄像机、打印机、键盘、鼠标、磁盘驱动器、便携式媒体播放器和网络适配器等，成为目前主流计算机和智能设备的标准扩展接口和必备接口之一。USB协议于1996年1月发布了最早的USB1.0版本，规定了1.5Mbit/s（低速）和12Mbit/s（全速）的信号传输速率。在1998年8月发布了USB 1.1版本之后，USB协议开始被广泛使用。2000年4月发布的USB2.0版本在USB1.x的低速和全速传输速率基础上，增加了更高的最大传输速率480Mbit/s（高速）。USB3.0协议于2008年11月发布，增加了一个速率为5.0Gbit/s（超高速）传输模式，插头、插座和电缆均向下兼容。2019年8月，USB4.0协议已经由USB-IF制定，但是其发展到产品应用还需要很长一段时间。USB3.0除增加了超高速的传输模式外，还采用了8b/10b编码方式，通过8b/10b编码进行加扰并转换为10位符号。8b/10b编码方式有助于接收器在有电磁干扰（EMI）的情况下也能正确解码。为了降低EMI的影响，增加了SSC（扩频时钟）技术，使得信号不完全分布在一个固定频率上。数据频谱可以被建模为一个“sinc”函数，如图1所示。 图1 USB3.0数据速率的“sinc”函数
如图1，USB3.0数据频谱非常宽，其范围从直流到5GHz。图2为Intel通过直接探测一台笔记本电脑的一对USB3.0发射信号所测量到的数据频谱。可以看出，辐射功率随频率下降，在2.4GHz频段约有-60dBm，到5GHz频段只有-90dBm。 图2 Intel测量的USB3.0数据频谱
1.2. 2.4GHz无线设备2.4GHz ISM频段是一个公开通用的无线电频段，可用于无线路由器、鼠标或键盘等无线PC外设等设备。这些设备可能使用IEEE 802.11b/g/n或蓝牙等标准协议，也可能使用专有协议。无线电设备可以使用跳频，也可以在一个固定的频率上工作。为了使无线射频接收器正确地检测到接收的信号，接收的信号功率必须大于无线电设备的灵敏度。接收器的灵敏度限制受到解调所需的最小信噪比（SNR）的影响。接收器灵敏度、发射信号功率、接受和发射天线增益以及无线链路路径损耗可确定接收端的信号和噪声功率，进一步决定了可实现的无线范围。随着发射器和接收器之间距离的增加，接收器输入端的信号功率也随之下降。同时，在较长的链路中，宽带噪声的增加将降低接收端的实际信噪比。这就降低了无线范围。接收端可获得的信噪比减少了，就需要相应增加最小信号电平来克服接收器的灵敏度限制。 麦克斯韦方程组表明，随时间变化的电流（时变电流）产生的电磁波可以被隔空感应和接收，这是无线通信的基本原理，也是计算机等信息技术设备受到电磁干扰的主要原因。USB设备在工作时内部存在大量时变电流，每个时变电流都会产生电磁波。这些电磁波如同小型无线电广播电台的发射信号，可以在远距离被接收到。USB3.0接口、数据线和USB3.0设备本身都会对外界产生干扰，虽然USB3.0线缆通常具有良好的屏蔽性，但两端的接口处和USB3.0设备本身仍会产生较大的电磁辐射。如果拆开一个USB3.0的线，会发现外面有屏蔽层等保护，但其接头处裸露在外，不完全封闭，没有做到完全屏蔽，导致USB3.0在接口处对外产生较大的电磁辐射。辐射的强度与线缆上传输的信号强度（电压、电流、频率等）呈正相关，且与屏蔽层的屏蔽强度呈负相关。 如图2所示，在2.4GHz-2.5GHz范围内，USB3.0数据频谱的噪声可能很高。这种噪声可以从PC上的USB3.0接口、外设的USB3.0接口、USB3.0线缆辐射出来，如图3所示。如果在这个频段工作的无线设备的天线靠近上述任何一个USB3.0辐射通道，它就会接收到宽带噪声。从USB3.0设备发射的宽带噪声可以影响信噪比，并限制靠近USB3.0设备的任何无线设备接收器的灵敏度。这可能导致无线链路的吞吐量下降。 图3 USB3.0辐射通道
Intel使用USB3.0硬盘驱动器（HDD）评估了从USB3.0设备中辐射出来的噪声水平，测试设置如图4所示。 图4 测量USB3.0硬盘驱动器噪声的设置
一个近场探头被放置在一个射频吸收室中的USB3.0 HDD附近，在连接和不连接HDD的情况下，使用频谱分析仪进行噪声测量。测量结果如图5。连接HDD后，2.4GHz频段的噪底提高了近20dB，增加的噪声可能会影响无线设备的灵敏度。 图5 来自USB3.0硬盘驱动器的噪声
随后，Intel以一个无线鼠标为例，测试了USB3.0噪声对无线设备性能的影响。测试装置如图6所示，采用一条3英尺（不到1米）长的USB3.0线缆将USB3.0硬盘驱动器连接到笔记本电脑的USB3.0接口。在相邻的USB2.0端口上，连接了无线鼠标接收器。 图6 在有USB3.0设备的情况下测量无线设备性能的设置
鼠标按设定的增量从笔记本电脑旁移开，并在每个增量上对鼠标的性能进行评估。以使用鼠标的平滑度和响应作为评估标准。表1显示了鼠标“A”在USB3.0设备存在时的反应。 表1 USB3.0设备存在时鼠标的反应
如表1所示，当USB3.0设备连接到笔记本电脑上时，无线鼠标的性能会有所下降。在离笔记本电脑3英尺及以上的距离，鼠标的反应出现了明显的滞后。无论USB3.0外设是在写入数据，还是仅仅连接到笔记本电脑，对鼠标性能的影响都是一样的。如果使用U盘等USB3.0设备，也会对无线鼠标的性能产生类似影响。由于USB3.0的噪声是宽带的，它有可能影响到任何靠近的无线设备。 实际上，USB3.0的扩频处理导致其频谱从0Hz一直覆盖到5GHz。这个由USB 3.0产生的噪声是一种宽频噪声，无法被过滤消除。为了降低USB3.0噪声对无线设备性能的影响，我们可以在以下三个方面进行改进。 4.1 屏蔽USB3.0外设如前所述，由于USB3.0数据频谱产生的噪声会从USB3.0外设及其接口处辐射出来。适当地屏蔽USB3.0外设和其接口可以降低在2.4GHz频段发射出来的噪声。为了证明这一点，Intel对外部HDD的不同区域进行屏蔽，并测量每一种情况下2.4GHz频段内发射的噪声。屏蔽USB3.0外设可以对发射到2.4GHz ISM的噪声量产生很大影响。完全屏蔽硬盘跟不屏蔽硬盘相比，可以减少大约12dB的噪声辐射量。4.2 改善笔记本USB3.0连接器的屏蔽性能除了来自USB3.0外设的辐射外，噪声还可以从PC的USB3.0接口辐射出来。笔记本对USB3.0接口的屏蔽措施通常是屏蔽信号引脚。在此基础上，我们还可以对接口的屏蔽做一些改进，可以在插座上增加一个背部屏蔽等。Intel测量了笔记本USB3.0接口辐射的噪声水平，笔记本USB3.0接口辐射的噪声可以使噪底增加约25dB，会影响无线接收器的信噪比。在进行屏蔽改进后，2.4GHz频段的噪声水平至少下降了10dB。4.3 无线天线的摆放将无线设备天线放置在尽量远离USB3.0设备或USB3.0接口的位置，也可以减轻USB3.0对无线设备的干扰。为了评估无线接收天线相对USB3.0接口或设备位置的影响，Intel对图6中的测试设置做如下改动。对于图7中的Case2，使用USB2.0延长线将无线接收器从USB3.0设备或接口附近移开，放置在笔记本电脑的另一侧。在Case3中，将无线接收器连接在USB3.0接口上方的USB2.0接口上。在Case2和Case3中，都使用了一个U盘作为外设。 图7 无线接收天线相对于USB3.0设备位置的影响
这两种情况下的鼠标性能如表2。无线接收器相对于USB3.0设备或接口的位置对无线设备的性能有很大影响。将无线天线放在远离USB3.0接口或设备的地方，可以降低噪声的影响。 表2 无线接收器在不同位置时鼠标的响应
前面介绍了几种降低噪声的方法。可以通过有效的屏蔽来降低从USB3.0设备发出的噪声，这有助于无线接收器端保持良好的信噪比。以鼠标“A” 与笔记本“A”通信为例，应用前述的缓解方法所获得的性能改进如表3。当只对笔记本“A”的USB3.0接口的做屏蔽改进，鼠标的响应距离可增加到大约6英尺。当对外设也做全屏蔽处理时，鼠标在大约8英尺处的响应性能仍没有下降。 表3 鼠标在改进屏蔽性能前后的响应
由USB3.0数据频谱产生的噪声会对靠近USB3.0设备或USB3.0接口的无线设备产生影响。这种噪声是一种无法被过滤掉的宽带噪声，因为它属于无线设备的工作频段（2.4GHz-2.5GHz）。噪声会降低无线设备的信噪比，并限制其灵敏度。这就缩小了设备的无线工作范围。在PC上，若发现无线设备的性能因靠近USB3.0外设或USB3.0接口而受到影响，可以尝试使用前述的三个缓解方法。通过对USB3.0外设包裹屏蔽或改善PC上USB3.0接口屏蔽，可以帮助降低由于USB3.0传输信号而辐射的噪声量，从而减少2.4GHz-2.5GHz范围内的噪声。考虑无线设备天线的摆放位置，尽可能的远离USB3.0接口和设备。 [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.