- Вступ. Загальні відомості про бездротові пристрої, що працюють в діапазоні 2.4 ГГц
- Тонкощі USB 3.0
- Вплив шумів від USB 3.0 на бездротовий канал зв'язку
- Вплив на продуктивність пристроїв бездротової мережі
- Методи зменшення впливу перешкод
- Екранування периферійного пристрою USB 3.0
- Екранування роз'єму ноутбука
- Розміщення антени пристрою
- поліпшення продуктивності
- висновок
Пропонуємо вашій увазі переклад статті , Присвяченій проблематиці використання інтерфейсу USB 3.0 з точки зору виникнення при цьому радіочастотних перешкод, що впливають на бездротові пристрої.
Вступ. Загальні відомості про бездротові пристрої, що працюють в діапазоні 2.4 ГГц
Сьогодні діапазон 2.4 ГГц є одним з найбільш завантажених з точки зору роботи в ньому різного класу бездротового обладнання, серед якого зустрічається і комутаційне обладнання зв'язку (наприклад, бездротові маршрутизатори), а також різні периферійні пристрої: мишки, клавіатури, принтери, навушники та ін. ці пристрої можуть використовувати стандартні протоколи, такі як IEEE 802.11 b / g / n або Bluetooth, або, в деяких випадках, власні закриті протоколи передачі даних. Вбудовані в перераховані пристрої радиопередающие модулі можуть використовувати стрибкоподібну перебудову частоти, швидку перебудову частоти, або працювати на фіксованій частоті.
Ясно, що для коректної передачі даних потужність сигналу, що передається повинна бути більше чутливості радіоприймача. Гранична чутливість приймача знаходиться в прямій залежності від так званого відносини сигнал-шум (SNR в англійський абревіатурі). Для коректної демодуляції сигналу, SNR повинен відповідати мінімальному необхідного рівня. На дальність радіозв'язку мають найсуттєвіший впливу такі параметри каналу і приймально-передавальної апаратури як чутливість приймача, потужність переданого радіосигналу, коефіцієнт посилення антени, втрати в бездротової лінії зв'язку.
Коли відстань між передавачем і приймачем збільшується, то це, в зв'язку з втратами в бездротовому каналі, призводить до зменшення потужності сигналу на вході приймача. До того ж, чим довше радіосигнал переміщається в бездротовому просторі, тим більше в ньому з'являється так званого широкосмугового шуму, і це також тягне за собою зниження рівня SNR в приймальнику. Зменшення необхідного рівня SNR в приймальнику вимагає захоплення рівня сигналу, щоб подолати межу чутливості приймача.
Тонкощі USB 3.0
Стандартом інтерфейсу USB 3.0 визначена швидкість передачі даних до 5 Гбіт / сек. Для передачі даних по інтерфейсу USB 3.0 потрібно проводити розширення спектра. Спектр даних може бути представлений у вигляді sinc-функції, як це показано на малюнку 1:
Малюнок 1 - Спектр переданих даних по інтерфейсу USB 3.0, описаний sinc-функцією
Як видно з наведеного рисунка, спектр даних дуже широкосмуговий, починаючи від постійного струму, до 5 ГГц. На малюнку 2 показаний реальний спектр даних, виміряний безпосереднього на одному з USB 3.0-входів ноутбука.
Малюнок 2 - Експериментально виміряний спектр переданих даних по USB 3.0
Вплив шумів від USB 3.0 на бездротовий канал зв'язку
Як ми бачимо з малюнка 2, шум спектра сигналу, що передається по інтерфейсу USB 3.0, може бути досить широким, зачіпаючи тим самим діапазон 2.4-2.5 ГГц. Шум може випромінювати безпосередньо сам роз'єм USB 3.0 на платі персонального комп'ютера, ноутбука або будь-якого іншого периферійного пристрою, або ж в якості випромінюючого елемента може виступати безпосередньо USB-кабель. Назвемо умовно всі перераховані джерела - каналами випромінювання. Якщо антена бездротового адаптера знаходиться в безпосередній близькості від вищезазначених каналів, то вона (антена) може почати приймати випромінюється пристроями шум. Широкосмуговий шум з пристрою USB 3.0 може мати суттєвий вплив на SNR радіоприймача і обмежити чутливість будь-якого бездротового приймача, чия антена знаходиться поблизу каналу випромінювання. Це, в свою чергу, призведе до падіння пропускної здатності бездротового каналу зв'язку. Схематично дана ситуація з каналами випромінювання показана на малюнку 3.
Малюнок 3 - Канали випромінювання інтерфейсу USB 3.0
В якості експериментального вимірювання рівня шуму від інтерфейсу USB 3.0, було розглянуто випадок підключення зовнішнього жорсткого диска (HDD) до USB 3.0-входу ноутбука. Схема установки показана на малюнку 4.
Малюнок 4 - Експериментальна установка для вимірювання шуму від зовнішнього USB 3.0 жорсткого диска
Вимірювальний зонд був поміщений в безпосередній близькості від інтерфейсу USB 3.0 жорсткого диска в поглинає безлунній камері. Вимірювання шуму проводилося з використанням аналізатора спектра з підключенням і без підключення зовнішнього HDD. Результати вимірювання показані на малюнку 5.
Малюнок 5 - Результати вимірювання шуму від зовнішнього USB 3.0 жорсткого диска
Червона лінія - USB-пристрій підключено; сіра лінія - USB-пристрій відключено.
Як видно з графіка, з підключеним жорстким диском мінімальний рівень шуму в діапазоні 2.4 ГГц піднімається майже на 20 дБ, що може мати значний вплив на чутливість бездротового пристрою.
Вплив на продуктивність пристроїв бездротової мережі
Нижче ми розглянемо дещо інший приклад, пов'язаний з визначенням того, як може бездротова миша, підключена до комп'ютера через пов'язаний бездротової адаптер USB 2.0, бути схильна до впливу від сполученого USB 3.0-інтерфейсу. Схема випробування показана на малюнку 6.
Малюнок 6 - Установка для вимірювання продуктивності бездротової мережі при наявності USB 3.0-пристрої
Опис експерименту: бездротову мишу відносили від ноутбука з певним кроком: 60 см, 90 см, і 150 см. На кожному кроці оцінювали якість її роботи, і як критерій вказували: придатна така плавність переміщення курсору для коректної роботи чи ні (відстає відгук) . Результати експерименту наведені в таблиці 1.
Таблиця 1 - Таблиця відповідей бездротового пристрою "Миша-А" в присутності USB-3.0 пристрої
Як видно з даних, наведених у таблиці 1, є погіршення в продуктивності бездротової миші, коли USB 3.0 пристрій підключено до ноутбука. При видаленні миші від ноутбука на відстань 90 сантиметрів і більше було помічено значне відставання в швидкості передачі даних від бездротової миші. Ефект "відстає кліка" був зафіксований як у випадку пасивного підключення HDD диска (без запису даних), так і при активній записи даних на нього. Аналогічне вплив на продуктивність бездротової миші фіксується також при підключенні не тільки HDD-диска, але і малопотужних флеш-накопичувачів, а також Bluetooth-пристроїв, підключених до інтерфейсу USB 3.0. Таким чином, широкосмуговий інтерфейс USB-3.0 потенційно може впливати на будь-яку радіостанцію, яка працює в діапазоні 2.4 ГГц, чия антена знаходиться поруч з інтерфейсом.
Методи зменшення впливу перешкод
Є кілька способів зменшення впливу шумів від USB 3.0-інтерфейсу на бездротову мережу або ж пристрій мережі. Ось три напрямки, в яких слід проводити роботу над даною проблемою:
- Екранування периферійного пристрою USB 3.0;
- Екранування роз'єму USB 3.0 на платі ноутбука;
- Рішення проблеми коректного розміщення антени.
Кожне з цих напрямків розглянемо більш докладно.
Екранування периферійного пристрою USB 3.0
Як було сказано раніше, шум від USB 3.0-пристрою може випромінюватися як від самого периферійного пристрою, так і від його роз'єму. Правильне екранування периферійного пристрою може зменшити кількість випромінюваного шуму в діапазоні 2.4 ГГц. В якості ілюстрації такого підходу, були екрановані різні області зовнішнього HDD-диска Випробувальна установка для вимірювання цього експерименту була використана така ж як на малюнку 4. На серії малюнків 7-10 нижче показані різні випадки екранування USB 3.0 накопичувача:
Малюнок 7 - HDD-диск без екранування (case 1)
Малюнок 8 - Екранування на HDD-коннекторе і невеликої ділянки друкованої плати навколо нього (case 2)
Малюнок 9 - Екранування на HDD-коннекторе, всіх областей друкованої плати і частково корпусу (case 3)
Малюнок 10 - Повне екранування на HDD-коннекторе, друкованої плати, корпусу (case 4)
У кожному із зазначених випадків, шум вимірювався поруч з роз'ємом USB 3.0 жорсткого диска HDD. Результати вимірювань показані на малюнку 11:
Малюнок 11 - Вплив екранування USB 3.0-пристрої на рівень сигналу
Як показано на графіку, екранування периферійного пристрою може зробити істотний вплив на величину шуму в діапазоні 2.4 ГГц і призводить до його зниження. Повний екранування жорсткого диска (case 4) може зменшити кількість випромінюваного шуму на величину до 12 дБ у порівнянні з пристроєм без екранування (case 1).
Екранування роз'єму ноутбука
У доповненні до випромінювання від периферійного пристрою USB 3.0, перешкоди можуть випромінюватися також від самого роз'єму на материнській платі ноутбука або комп'ютера. Розглянемо подібний випадок, схема якого зображена на малюнку 12.
Малюнок 12 - Схема установки для вимірювання шуму від USB-роз'єму
На малюнку 13 показаний рівень шуму від USB-роз'єму ноутбука. Сірим кольором показаний рівень зафіксованих шумів з відключеним USB-пристроєм. З графіка видно, що пристрій не використовував призводить до зростання фіксованого рівня шумів на 25 дБ, який може впливати на SNR бездротового приймача.
Малюнок 13 - Внесок рівня шумів від роз'єму USB 3.0
Сам по собі роз'єм USB 3.0 має екранування сигнальних контактів, але, тим не менш, можна зробити кілька додаткових поліпшень для зменшення рівня випромінювання від роз'єму.
Для зменшення рівня шумів корпус USB-входу повинен мати хороший контакт із заземленням на друкованій платі комп'ютера. Іноді це робиться через шасі у вигляді металевих вкладок або гвинтів. Підключений в USB-порт периферійне пристрій також має мати хороший контакт із землею, тому рекомендується наявність на USB-порте додаткових фіксаторів у вигляді пружин, здатних міцно притискати вихід пристрою до USB-входу ноутбука, або наявність подмагніченних елементів.
Перераховані доопрацювання, зазначені вище, були зроблені для USB-роз'єму ноутбука, а саме: був організований хороший контакт порту ноутбука з периферійним пристроєм і з шиною заземлення. Після цього рівень шумів було виміряно в тій же точці, малюнок 14:
Малюнок 14 - Рівень шумів від USB-роз'єму з поліпшеним екрануванням
Як видно з малюнка, після всіх проведених поліпшень рівень шумів в смузі частот 2.4 ГГц падає, щонайменше, на 10 дБ. Слід зазначити, що найбільш якісним з точки зору екранування є "закритий" USB-порт, який має металевий екран в задній частині корпусу. Його зовнішній вигляд показаний на малюнку 15.
Малюнок 15 - USB-роз'єм з екраном в задній частині корпусу
Розміщення антени пристрою
Для того щоб оцінити вплив розташування антени безпровідного адаптера по відношенню до порту і пристрою USB 3.0, була змодельована наступна ситуація, зображена на малюнку 16.
Малюнок 16 - Вплив розташування USB-пристрої на антену радіоприймача
У прикладі "case 2" бездротової адаптер був перенесений від USB 3.0 пристрої і порту, за допомогою подовжувача на протилежну сторону ноутбука. В іншому випадку ( "case 3") бездротової адаптер підключається до USB 2.0-порту, розташованого вище USB-3.0 порту. В обох випадках в якості периферійного пристрою, що створює перешкоди, використовувався Flash-накопичувач. Продуктивність бездротової мишки в цих двох випадках приведена в таблиці 2.
Таблиця 2 - Статистика відповідей миші для різних місць розташування пристрою.
Таким чином, розташування бездротової антени приймача по відношенню до порту USB 3.0 пристрої може надавати також значний вплив на продуктивність бездротового пристрою. Розміщення антени далеко від USB 3.0 порту може зменшити вплив шуму, навіть якщо він не усуває його повністю. На підставі характеристик приймача, для нього має бути знайдено оптимальне місце розташування. І ні в якому разі не слід розміщувати бездротової адаптер комп'ютерної миші поруч з гніздом, в якому працює USB-3.0 пристрій.
Для підтримки доброго ставлення сигнал / шум в приймачі, потрібно забезпечити максимально можливий рівень сигналу, що передається. Найпростіший приклад ослаблення радіосигналу від комп'ютерної миші - це наявність руки людини на шляху поширення сигналу. У таблиці 3 показано порівняння продуктивності різних моделей бездротових мишей, які відрізнялися місцем розташування приймально-передавальної антени в корпусі мишки. Для дослідження цього виляння використовувалася схема, зображена на малюнку 16 (case 2). Результати випробувань зображені в таблиці нижче:
Таблиця 3 - Порівняння продуктивності різних моделей бездротових мишок.
Моделі бездротових мишок вказані не були, щоб не дискредитувати їх виробників. Суть експерименту полягала не в тому, щоб порівняти продуктивність різних бездротових мишок, а показати той факт, що різне розташування антени в корпусі пристрою може давати різні результати. У загальному випадку, при розробці бездротових пристроїв, виробникам потрібно дотримуватися наступних рекомендацій по розташуванню приймально-передавального пристрою в корпусі мишки:
Розташування антени: антена пристрою повинна вільно випромінювати радіосигнал, коли пристрій знаходиться у використанні. Для забезпечення цієї рекомендації слід розміщувати її якомога далі від об'єктів, здатних впливати на неї: це різні металеві або добре провідні предмети, рука людини або інші подібні перешкоди. В ідеалі потрібно забезпечити таку умову, щоб приймач і передавач перебували на відстані прямої видимості один від одного.
Заземлення: антена бездротового пристрій повинна бути добре заземлена. Ця умова рідко дотримується, особливо в малобюджетних моделях, в той час, як заземлення грає аж ніяк важливу роль, адже якість заземлення впливає на: посилення антени, її резонансну частоту, імпеданс і є опорним вузлом для всіх схем пристрою. В ідеалі поверхня заземлення повинна бути діаметром в чверть довжини хвилі навколо точки заживлення антени.
Тюнінг: потрібно тонко підходити до вибору матеріалів корпусу для бездротового пристрою, адже різні матеріали мають різну радіопрозорість, і буде прикро втрачати пару децибел на втрати при проходженні через посилений діелектрик. Виробники повинні дотримуватися оптимальних параметрів при проектуванні друкованої плати, підбираючи необхідну товщину її доріжок, розмір площини заземлення. Ці фактори в кінцевому підсумку безпосередньо впливають на дизайн і зовнішній вигляд продукту. При контролі вихідних параметрів повинні окремо бути взяті під контроль: вихідна потужність пристрою і опір антени.
поліпшення продуктивності
У попередньому розділі були розглянуті стратегії зниження загального рівня шуму і способи пом'якшення їх наслідків. Шум, випромінюваний з USB 3.0 пристрої, можна зменшити шляхом ефективного екранування, що дозволяє підтримувати хороший SNR в бездротовому пристрої. У цьому розділі буде детально розглянута продуктивність пристрою, отримана після застосування одного з перерахованих способів зменшення шумів.
У таблиці 4 показані різні варіанти якості відповідей бездротового пристрою "Mouse A" при обміні даними з ноутбуків "Notebook A". Схема для тестування показана на тому ж малюнку 16. Периферійним пристроєм, що створює перешкоди, є Flash-накопичувач USB 3.0.
Таблиця 4 - Якість відповіді бездротової миші з поліпшеним екрануванням.
Як показано в таблиці 4, коли екранування застосовується тільки до пристрою "Notebook A" для роз'єму USB 3.0, відповідь мишки є хорошим на відстані до 180 см. Коли периферійний пристроїв (Flash-диск) також повністю екрановано, то ніяких зменшень якості переданого радіосигналу НЕ спостерігається на відстані до 2-х метрів.
висновок
Шум, створений за рахунок широкополосности спектра даних, створюваних пристроєм з інтерфейсом USB 3.0, може робити істотний вплив на радіоприймачі, антени яких розташовані досить близько до входів USB 3.0 або до самих пристроїв. Створюваний шум є досить широкосмуговим і не може бути відфільтрований, так як він потрапляє в смуги робочих частот бездротового обладнання, що працює в діапазоні 2.4 ГГц. Генерується шум погіршує відносини сигнал-шум до такої міри, що бездротовий пристрій змушене обмежувати чутливість (SNR). Це призводить до зменшення ефективного радіусу дії бездротового пристрою.
Екранування може зменшити негативні наслідки шумового впливу, випромінюваного пристроєм і його роз'ємом в діапазоні 2.4 ГГц. Це особливо важливо для периферійних пристроїв, розташованих близько до плати персонального комп'ютера або ноутбука. В ідеалі антени бездротових пристроїв повинні бути віднесені якнайдалі як від роз'єму USB 3.0, так і від самого пристрою.