EMI除去フィルタ(EMC・ノイズ対策)HDMI2.1のノイズ対策

1はじめに

HDMIはデジタル映像と音声の伝送を目的として設計された差動デジタルインターフェイスであり、AV市場を中心に普及しています。
HDMI2.1は従来のHDMI2.0を拡張したもので、従来の2倍の高速化がはかられています。

■Enhance picture quality

Background

HDMI2.1は従来のHDMI2.0と比べて最大データ転送量が約2.7倍で、1レーンあたりの最大信号伝送速度は2倍に高速化されています。
また、HDMI2.0がデータライン3ラインとクロックラインで構成されていたのに対して、HDMI2.1ではクロックラインがなくなり、データラインが4レーンに増やされています。

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  HDMI2.0 (conventional standard) HDMI2.1 (new standard)
Maximum data rate 18 Gbps (6Gbps/lane ×3) 48 Gbps (12Gbps/lane ×4)
number of lanes data 3 lane
clock 1 lane
data 4 lane
clock 0 lane
connector, cable specified by the conventional standard new (category 3) upward compatibility
receiver equalizer must must

このように、HDMI2.1は従来よりも高速な信号を伝送するため、ノイズ対策を行うにあたっては、信号の品位を損なわないように注意する必要があります。

HDMI通信を行ったときのノイズ問題は以下の2通りが考えられます。

放射ノイズ①
HDMI起因のノイズが機器内部でWi-Fiアンテナに干渉し、Wi-Fi通信感度が悪化する (イントラシステムEMC)
放射ノイズ②
HDMI機器またはケーブルからノイズが放射する (エミッション)

ここでは、放射ノイズ①のイントラシステムEMCに着目し、対策方法を検討しました。

2HDMI2.1のノイズ対策

通常のノイズフィルタはHDMIのような高速差動信号ラインに使用すると信号品位を劣化させて信号がうまく伝わらないため、コモンモードチョークコイル(CMCC)を使用するのが適しています。HDMIの信号は高速なので、CMCCの中でもより高速信号に適したものを選択します。
CMCCをHDMIのSource側ICの出力ピン付近とSink側のコネクタ付近に設置します。Source側のCMCCにより、Source側のTransmission ICから発生したコモンモードノイズをIC付近に配置したCMCCで抑制でき、Sink側にコモンモードノイズが伝搬することを防ぐことができます。
Sink側のCMCCにより、Sink機器のHDMI信号配線から発生するコモンモードノイズをCMCCで抑制でき、コモンモードノイズがWi-Fiアンテナに結合することを防ぐことができます。

HDMI2.1のノイズ対策におすすめするCMCC

イントラシステムEMC対策

まず、HDMI通信により、Wi-Fiにどれくらい影響が出ているかを確認しました。
HDMI2.1の通信が開始されるとWi-Fiの受信感度が2.4GHz帯、5GHz帯で6-10dB低下していることが確認されました。実際にWi-Fiに侵入しているノイズを確認すると、2.4GHz帯や5GHz帯に重なっていることがわかります。

■Wi-Fi Receiver sensitivity

Evaluation of Intra-EMC

CMCC(DLM0NSB120HY2)を取り付けることにより、3-4dBの改善が見られました。

■Wi-Fi Receiver sensitivity

3放射ノイズ対策

次は放射ノイズ対策について調べました。
まず、HDMI2.0とHDMI2.1のノイズスペクトラムにどのような違いがあるかを確認しました。

  • 従来のHDMI2.0の放射ノイズ
    →1GHz~3GHzの周波数帯でbroadなノイズが発生する
  • HDMI2.1の放射ノイズ
    →1GHz~6GHzの周波数帯域にノイズが発生する

HDMI2.1のほうがより高い周波数のノイズが発生していることがわかりました。

CMCCによる放射ノイズ対策結果

CMCC(DLM0NSB120HY2)をSource側に取り付けることにより、HDMI2.1のノイズを除去することができました。
なお、CMCC使用後に残っている放射ノイズがありますが、その多くはSource側の機器の基板に別途搭載されたDRAMの放射ノイズでした。

信号品位への影響の確認

HDMI2.1 アイマスクテストの結果、CMCC使用前後の信号波形は同等であることが確認できました。

ACコモンモードノイズはCMCCを使用することにより47%改善されました。

4まとめ

Wi-Fi 受信感度低下の対策

HDMI2.1の通信時にWi-Fiの受信感度が低下する問題が発生していましたが、CMCCを使用することにより改善しました。

放射ノイズ対策(エミッション対策)

HDMI2.1では1GHzから6GHzにわたって放射ノイズが発生していましたが、CMCCを使用することで改善しました。

信号波形への影響

CMCCを入れてもアイマスクテストに影響はありませんでした。
CMCCを使うことにより、ACコモンモード電圧が低減されました。

今回紹介したCMCC

HDMI2.1のノイズ対策におすすめするCMCC