高速差动数据传输的共模噪声和针对无线的内部干扰对策

在支撑近年来飞速发展的数字网络设备的数据通信中，伴随数据量增大的高速化、设备的移动化和小型化的进展，整机设备内部的噪声变得更为复杂，要求进行各种噪声对策方法的研究。

标准噪声和共模噪声

噪声大致上可区分为“传导噪声”和“放射噪声”。并且，“传导噪声”根据其传递方法，可分类为“正常模噪声”和“共模噪声”。

正常模噪声，描绘噪声电流通过电源或信号源的线路来到电子电路，通过电路的接地线路返回到电源或信号源的环路，往返的噪声电流的流向相反。通过减小噪声电流的环路面积，或者置入电容器、电感器或LC滤波器来设法减少如此正常模的噪声电流引起的放射噪声。

共模噪声，是通过寄生电容等电容流出的噪声电流经由电子设备的接地面等部位来以同样的方式通过寄生电容等返回来的噪声。电流噪声的方向在电源或信号源线路侧(＋)和电路的接地线路侧(－)相同，因而被叫做共模(同相)噪声。共模噪声在接地面等处描绘出较大的噪声电流环路，因而即使噪声电流不大，也会引起较大的噪声放射。

近年来的USB和HDMI等数字数据通信(有线)速度非常快，其中的大多数都采用差动传输方式。这是因为在向相互反相的具有相同振幅的两个信号间进行传输，正常模的放射噪声会减少，而且在同相(共模)噪声叠加到数据通信线路上时，通过在接收侧取得差分来予以取消而不易受到外来噪声或地线的影响，适合于高速数据传输之故。
但是，即使在具有如此优点的差动传输中，有时也会产生共模噪声，近来差动传输中的共模噪声对策愈来愈凸显其重要性。

譬如，如右图所示，即使在差动数字数据信号中信号电平不同的情形，或因信号时机的偏离(偏斜)等原因而失去平衡的情况下，也会产生共模噪声。而且，共模噪声的频率成分与差动数字数据信号的频率成分几乎具有相同的带宽，如果利用以往的频率分离型的LC滤波器就无法进行滤波处理。在这样的情况下，共模滤波器就有了它的用武之地。

所谓共模滤波器

下图列出在差动信号和共模噪声进入到共模滤波器中时，通过怎样的作用来去除共模噪声。

内部模式图	信号/噪声	作用(线圈断面)	等效功能
在D+、D-间进行磁结合	差动 (差动数字信号)	磁通量被取消，阻抗低	传输线路
	同相 (共模噪声)	磁通量相互加强，阻抗增加	电感器

差动信号时，在磁结合电路中因D+信号和D-信号而产生的磁通量被取消，不产生阻抗。共模噪声时，因D+信号和D-信号而产生的磁通量相互加强，产生高阻抗。也就是说，共模滤波器对于差动信号作为传输线路发挥作用并使差动信号通过，对于共模噪声作为电感器发挥作用来阻止共模噪声通过。这样，通过基于D+和D-的传输路间的线圈的磁结合构造，来使得差动信号与共模噪声分离。

此外，共模滤波器还具有减轻差动信号的偏斜，抑制共模噪声的效果。共模滤波器处于1对线圈被磁结合的状态，以取消内部磁通量变化的方式发挥作用。右图为表示共模滤波器内部的1对线圈磁结合状态的等效图。如此图所示，在因偏斜基于信号的上升部的磁通量发生变化时，为了消除这种变化，另外一个线圈引发出感应电动势来减少偏斜，并减少共模噪声。

共模滤波器的使用例

这里列出共模滤波器的使用例。下图表示USB2.0的放射噪声的抑制效果，从中可以获知，通过安装共模滤波器，来抑制高次谐波噪声。 此外，下图左边表示差动数字信号中有偏斜时的D+、D-的数据，实际上已产生共模噪声。从中可以获知，借助于使得此共模噪声通过共模滤波器来减少偏斜，同时抑制共模噪声。

虽然列出了USB上的使用例，但是除此之外，目前共模滤波器已被使用到PC、显示器、数字相机、智能手机等各种各样的设备上所采用的各种高速差动数据传输中。

• LVDS/MIPI/V-by-One/eDP

  

• HDMI

  

• LAN(100/1000Base-T)

  

针对Wi-Fi的内部干扰对策

来自设备内部的数字信号线路的噪声干扰无线

在以智能手机和平板电脑为代表的便携式终端上，具有用来控制相机或LCD的MIPI、和USB等数字信号线路。此外，在狭小的壳体内，安装有蜂窝电话、Wi-Fi、Bluetooth、GPS等无线通信功能。从下图所示我们可以获知，近年来数字差动数据通信的传输频带与无线通信的带宽相互重叠。特别是2.4GHz频带的Wi-Fi(无线局域网)，采用了较低的频带而受噪声的影响大，而且还是在微波炉等上使用的ISM频带，是非常容易引起拥堵干扰的无线通信。因此，来自设备内数字信号线路的噪声会串跳到无线通信用的天线中，出现了接收灵敏度下降的问题。

IoT设备上同样需要采取针对内部干扰的对策

通过共模滤波器来改善接收灵敏度的例子

此数据使用接收灵敏度测量器，在屏蔽箱内测量智能手机的Wi-Fi(无线局域网 11g)的接收灵敏度。图形表示在相机的MIPI数据线路和USB的数据线路中有/无共模滤波器时的接收灵敏度。红色的迹线表示没有滤波器，蓝色的迹线表示有滤波器。接收灵敏度是根据智能手机接收到的发送器(测量器)的发送电力和错误率的关系而进行的相对比较。两者都可确认改善，即能够接收到5dBm左右的低电波。

这是使用智能手机的实验，根据这些结果也可以这么说，即在进行高速差动数据传输的元器件与特别是2.4GHz频带的Wi-Fi无线混合的IoT设备上，在高速差动数据传输线路插入共模滤波器具有显著的效果。

实际的共模滤波器的特性

在这样的用途上使用时，为了抑制进入到相应的无线通信带宽的噪声产生，共模滤波器的噪声衰减特性(频率特性)必须覆盖无线的频带。下表列出面向IoT设备的小型共模滤波器的产品编号和代表特性图。

滤波器频率特性的蓝色迹线表示差动信号的插入损失。因此，0dB为理想值。红色的迹线表示共模噪声的插入损失(衰减)。研究要覆盖的带宽(宽频带/窄频带)和衰减特性(衰减量)后进行选择。

总结

来自高速的差动数据传输线路的共模噪声从设备内的无线元器件的天线侵入，致使无线接收灵敏度下降的内部干扰已成为一个问题。这个问题在IoT设备上也会发生，作为其改善对策之一，在设备内的差动数据传输线路中广泛使用共模滤波器。

相关产品信息

• 共模滤波器

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