5GHZ頻段的無(wú)線(xiàn)通信

Murata研究了使用有線(xiàn)接口在室內進(jìn)行高速數據通信時(shí)發(fā)生的噪聲問(wèn)題，以及在具有多個(gè)無(wú)線(xiàn)通信的環(huán)境中發(fā)生的噪聲問(wèn)題。

 

室內單獨電子設備都支持更高驅動(dòng)頻率，人們對高頻下出現噪聲感到擔憂(yōu)。還有一些情況下，同時(shí)使用無(wú)線(xiàn)LAN 5GHz頻段和LTE 5GHz頻段。

 

以下為發(fā)生這種情況時(shí)預計會(huì )出現的一些問(wèn)題：

設備相互連接時(shí)難以連接到無(wú)線(xiàn)LAN時(shí)出現的問(wèn)題

使用多個(gè)通信系統時(shí)出現下載速度變慢的問(wèn)題

 

Murata研究了一些出現噪聲的具體案例。

 

噪聲發(fā)生

 

 

噪聲和多個(gè)無(wú)線(xiàn)通信

LAA/LTE-U簡(jiǎn)介

首先，Murata介紹了多種無(wú)線(xiàn)通信的實(shí)例。雖然Murata非常熟悉使用5GHz頻段進(jìn)行無(wú)線(xiàn)通信的Wi-Fi®，但是也確定為智能手機中采用的LTE系統使用5GHz頻段。采用5GHz頻段的LTE被稱(chēng)為L(cháng)AA或LTE-U，這種技術(shù)可通過(guò)現有的LTE和載波聚合實(shí)現大容量通信。執行此操作時(shí)，預計還會(huì )同時(shí)使用Wi-Fi，這意味著(zhù)LTE、LAA、Wi-Fi三個(gè)系統的電路全部運行。Murata研究在這種情況下是否可以沒(méi)有任何問(wèn)題進(jìn)行無(wú)線(xiàn)通信。

 

LAA通信案例

 

 

規格

 

 

接收靈敏度和多種通信

接收靈敏度圖（下方圖1）顯示了在Wi-Fi通信運行期間開(kāi)始LAA通信時(shí)LAA接收靈敏度的測量結果。Murata確定Wi-Fi通信打開(kāi)時(shí)接收靈敏度降低。

 

當接收靈敏度降低（下方圖2）時(shí)，如果基站或接入點(diǎn)的信號強度弱，則無(wú)法正常進(jìn)行通信。這意味著(zhù)數據傳輸速率將會(huì )減慢，這對一些用戶(hù)來(lái)說(shuō)可能是一種壓力。出現這一問(wèn)題是因為Wi-Fi和LAA使用相同頻率進(jìn)行通信，這是由于5GHz頻段的信號相互干擾或無(wú)線(xiàn)電路運行時(shí)產(chǎn)生噪聲的影響。以前，沒(méi)有無(wú)線(xiàn)電路以相同的頻率同時(shí)運行。

 

圖1

 

圖2

 

接收靈敏度降低的原因

為了確認接收靈敏度降低的原因，Murata通過(guò)系統仿真進(jìn)行了一次檢查。在此仿真中，可為無(wú)噪聲環(huán)境實(shí)現通信特性，因為每個(gè)模塊均在理想狀態(tài)下工作。

 

結果表明，雖然實(shí)際設備的接收靈敏度降低，但在仿真中沒(méi)有看到這種變化。這表明，接收靈敏度降低不僅僅因為L(cháng)AA和Wi-Fi同時(shí)通信。Murata推測原因是每個(gè)電路運行時(shí)產(chǎn)生的噪聲，因此Murata對實(shí)際設備內部進(jìn)行了噪聲研究。

 

LAA通信案例

 

圖3: LTE、LAA和Wi-Fi通信時(shí)產(chǎn)生的噪聲

 

電源線(xiàn)上的傳導噪聲測量結果

原理圖（上方圖3）顯示LTE、LAA和Wi-Fi電路塊。在右側顯示的條件下進(jìn)行通信時(shí)，對電源線(xiàn)的噪聲進(jìn)行了測量。結果顯示，Wi-Fi模塊的電源線(xiàn)在頻譜上具有最高電平，RFIC的電源線(xiàn)具有相同的頻譜。這與Wi-Fi通信信號的帶寬相匹配，表明源自Wi-Fi的噪聲被傳輸到電源線(xiàn)并流入電路塊。

 

Murata總結了噪聲產(chǎn)生和傳導路徑的要點(diǎn)：

•射頻電路電源線(xiàn)中驗證的噪聲的帶寬為80MHz。

•對于Wi-Fi信號，通信以80MHz帶寬執行；對于LTE和LAA，通信以20MHz帶寬執行。

•從上述各點(diǎn)，噪聲從Wi-Fi模塊流出并流入電源線(xiàn)。

•噪聲流入射頻電路，其降低接收LNA的信噪比 (S/N)。

•這最終降低了接收靈敏度。

 

噪聲抑制濾波器

由于Murata發(fā)現產(chǎn)生噪聲和傳導路徑，因此插入噪聲濾波器降低噪聲傳導。噪聲濾波器插入射頻電路的電源輸入單元。

 

濾波器插入位置

 

 

噪聲抑制方法和改進(jìn)結果

Murata BLF03VK系列5GHz頻段降噪，用于噪聲濾波器。Murata確認當傳導噪聲降低時(shí)，接收靈敏度得到提高。

 

在使用多個(gè)頻率重疊的無(wú)線(xiàn)系統的環(huán)境中，噪聲可以從一個(gè)通信電路傳導到另一個(gè)通信電路，并對其產(chǎn)生不利影響。有效對策是將能夠消除特定頻段的降噪濾波器置于電源線(xiàn)中。

 

改進(jìn)結果圖表

 

 

噪聲和高速差分數據通信

進(jìn)行HDMI通信時(shí)的問(wèn)題

Murata還演示了家庭環(huán)境中進(jìn)行HDMI通信時(shí)出現的問(wèn)題。HDMI廣泛用作視頻系統接口，用于連接BD錄像機、機頂盒和電視。它還可用作口袋電腦接口，將電視變成電腦。在最新標準中，公布了HDMI2.1版本，但許多用戶(hù)可能仍使用2.0或1.4。

 

該表（下方圖4）顯示將口袋電腦插入電視時(shí)的結果，并在HDMI通信時(shí)測量Wi-Fi接收靈敏度。如表所示，靈敏度降低略小于4dB，并且HDMI電路運行時(shí)產(chǎn)生噪聲，降低了接收靈敏度。

 

HDMI通信圖

 

圖3：HDMI通信時(shí)Wi-Fi接收靈敏度表

 

研究HDMI通信時(shí)的信號

下一個(gè)問(wèn)題：HDMI通信時(shí)發(fā)生了什么？Murata對信號狀態(tài)進(jìn)行了調查。

 

該口袋電腦圖（下方圖5）顯示前述口袋電腦PCB表面的磁場(chǎng)分布映射。它由HDMI連接器、無(wú)線(xiàn)電路和控制IC組成。由于封裝尺寸約為15cm x 8cm，因此所有電路非常接近。

 

因此，如果器件內出現噪聲，則該器件耦合到天線(xiàn)和其他射頻電路上，容易干擾無(wú)線(xiàn)通信。在該口袋電腦中，噪聲似乎分布在整個(gè)PCB上，因此Murata將電磁波吸收板固定到整個(gè)PCB上，并驗證耦合到天線(xiàn)上的噪聲水平是否變化。

 

噪聲水平下降約10dB，表明噪聲從PCB耦合到天線(xiàn)。

 

圖5

 

B. 可能的有效補救措施

Murata推測HDMI運行時(shí)產(chǎn)生了噪聲，這也說(shuō)明信號線(xiàn)中有噪聲。

 

Murata決定嘗試使用HDMI信號和時(shí)鐘線(xiàn)路用降噪濾波器。使用了兩種類(lèi)型的濾波器：共模扼流線(xiàn)圈和Pi低通濾波器 (LPF)。共模扼流線(xiàn)圈是一款濾波器，僅對消除共模噪聲有效，不影響差分傳輸線(xiàn)路的信號波形。

 

雖然使用共模扼流線(xiàn)圈沒(méi)有發(fā)現任何效果，但是Pi LPF可有效降低噪聲。這表明口袋電腦中有差分模式噪聲。（注：共模噪聲元件可能在某些目標器件中占主要地位，因此共模扼流線(xiàn)圈在某些情況下可能有效。）

 

有效性補救措施圖表

 

 

選擇濾波器

由于差模噪聲占主要地位，所以Murata不得不選擇一個(gè)濾波器，可以降低噪聲，但不影響信號。

 

因此，Murata開(kāi)發(fā)了全新BLF03VK產(chǎn)品系列，可在5GHz頻段內有效降低噪聲。Murata從該產(chǎn)品系列中選擇具有這些特性的項目。

 

5GHz頻段用鐵氧體磁珠

特性：與傳統鐵氧體磁珠等低頻增加的阻抗相比，其材料和內部結構設計使阻抗在5GHz時(shí)增加。

 

選擇濾波器概述（下方圖6）僅研究了5GHz頻段濾波器，但Murata的產(chǎn)品系列還包括2.4GHz和700MHz頻段濾波器。

 

圖6

 

使用噪聲過(guò)濾器的補救措施效果

該圖（下方圖7）顯示Pi濾波器被BLF03VK取代時(shí)的結果，并驗證降噪效果。經(jīng)證實(shí)，時(shí)鐘的高頻分量減少了約10dB。

 

黃色填充區域表示W(wǎng)i-Fi (11ac) 使用的通道，在通道36和124中可以看到噪聲。因此，在產(chǎn)生噪聲的通道中，接收靈敏度顯著(zhù)降低。但是，通過(guò)使用新型噪聲濾波器進(jìn)行噪聲抑制，可以降低源自HDMI時(shí)鐘的窄帶噪聲，從而實(shí)現更高接收靈敏度。

 

圖7

 

檢查信號質(zhì)量

由于過(guò)濾器插入了HDMI數據和時(shí)鐘線(xiàn)路，因此檢查了信號質(zhì)量。（下方圖8）

 

HDMI 1.4信號波形

HDMI 1.4預合規性測試結果顯示，即使使用濾波器，也能通過(guò)測試，不用戴眼罩。部分原因是BLF03VK系列在低頻段具有小阻抗。對于僅在特定頻段內增加阻抗以及消除噪聲以確保信號質(zhì)量的濾波器，預計需求將會(huì )增加。（注：實(shí)際使用濾波器時(shí)的波形將根據IC和設置環(huán)境而不同，因此需要進(jìn)行驗證）。

 

圖8

 

總結

Murata提供了兩個(gè)用于降低5GHz頻段噪聲的補救措施示例。

 

以前，5GHz頻率不常用，因此用戶(hù)可能認為噪聲問(wèn)題不太可能發(fā)生。但是，當Murata實(shí)際研究噪聲時(shí)，它發(fā)現信號和電源系統中都存在噪聲。

 

即使選擇5GHz頻段提供穩定、高速的通信，但是如果存在噪聲，則無(wú)法實(shí)現最高性能。Murata的噪聲抑制產(chǎn)品可用于創(chuàng )建低噪聲環(huán)境，確保穩定的通信質(zhì)量。

 

匯總表