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USB 3.0 射频噪声对 2.4GHz 无线设备的干扰

早些年,第一次使用 USB 3.0 硬盘的时候,我就发现了它对 Wi-Fi 网络信号的影响。为了解决这个问题,当时投资几百块,换了 NetGear 的路由器,并启用其 5GHz 的 Wi-Fi 信号。最近,在结合 rMBP 使用无线鼠标时,我发现鼠标经常出现跳帧的现象。因为距离上一次踩坑的时间已经过去六七年的时间,一时完全没想到可能是 USB 3.0 带来的问题。在经历了一系列折腾之后,才突然想起这个坑。特此记录。

向外辐射的电磁波

有高中物理电磁知识的人都应该知道一个基本事实:任何未经完全屏蔽的非直流电流,都会向外辐射电磁波。在高中物理中,它的基本形式就是 LC 谐振电路。但另一方面,向外辐射电磁波的另一个条件是电路开路。也就是说,在连续的电路中,一般来说很难产生足以干扰其他设备的射频信号。此外,线缆通常也会考虑屏蔽电磁辐射。因此,一般来说,产生电磁射频噪声的干扰源,通常是电路的连接点,例如接头、引脚处。

USB 3.0 的射频噪声

根据 Intel 于 2012 年发布的白皮书,从 USB 3.0 的 sinc 函数来看,USB 3.0 的频谱很宽,从直流一直到 5GHz 都有所涉及。

直接在笔记本上测量 USB 3.0 线对(transmit-pair)上的频谱则有如下分布。

于是,不难想见,USB 3.0 的接头处,在非常广的频谱上,都会向外辐射无线电干扰。那么射频干扰主要集中在什么频段呢?Intel 以实验说话,发现射频干扰主要集中在 2.4GHz -- 2.5GHz 之间。

那么为什么射频干扰主要集中在 2.4GHz -- 2.5GHz 之间呢?USB 3.0 是以 NRZ-I 方式进行编码的。因此,在一个时钟周期里,随着电平的两次翻转,可以传递出 2bit 的信息。考虑到 USB 3.0 的比特率是 5Gbps,即,每秒传输 5Gb。因此,它的电平周期是 2.5GHz。这就是 USB 3.0 设备产生的射频干扰集中在 2.5GHz 附近的原因。

信噪比与干扰

无线信号接收器是否能够正确解析无线信号,不仅取决于无线信号的强度,还取决于接收器所处环境的无线噪声强度。并不是说无线信号强度大,就一定能正确解析无线信号。假设有一个 -20 dBm(分贝毫瓦,对数能量单位)的信号,已经算很强了;但若环境中有一个 -20dBm 的同频率干扰信号,则原信号依然是不可辨别的。

因此,人们定义了信噪比(Signal-to-Noise ratio)这个概念。信噪比的单位也是分贝(dB)。

$$\text{SNR} = 10 \log_{10}\Bigl(\frac{P_{\text{signal}}}{P_{\text{noise}}}\Bigr).$$

为了能够正确解调无线信号,无线信号接收器都会有一个最低限度的信噪比要求。当无线信号过于衰弱,或是无线噪声过于强大时,信噪比就可能低于无线信号接收器所需的最低信噪比。如此一来,无线信号接收器就无法正常工作了。

2.4GHz

无线电信号频段是有限的资源。在大多数主要国家,都有相应的法律法规,来约束和限制无线电信号频段的使用。2.4GHz 是国际通用的不受约束的频段(当然,这里的不受约束,指的是你可以使用,但功率不能太大)。因此,大多数无线设备,都在这一频段工作。常见的有 Wi-Fi、无线鼠标、无线键盘、蓝牙等外设。

不巧的是,USB 3.0 的射频干扰主要集中在 2.4GHz 和 2.5GHz 之间,正好与这一通用频段重合。于是,USB 3.0 设备干扰 Wi-Fi、无线鼠标等,也就不奇怪了。

解决办法

解决办法很简单。

  1. 屏蔽:使用金属箔纸,将 USB 3.0 的连接处和电缆包裹起来,起到无线屏蔽的作用。当然,这对动手能力要求很高。
  2. 远离:由于无线信号强度随着信号源的距离的增加而快速衰减(平方衰减),因此,使用 USB 2.0 延长线,将无线信号接收器(如果有)远离 USB 3.0 的设备和借口,即可避免这一问题。
  3. 换频:由于 USB 3.0 的射频干扰主要集中在 2.4GHz 至 2.5GHz 之间,那么换成不在 2.4GHz 频段工作的设备即可。例如,可以更换成 5(.8) GHz 的设备。
  4. 有线:开历史倒车,从无线设备切换回到有线设备,彻底绕开无线干扰这个问题。XD
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