5GHZ頻段的無線通信

Murata研究了使用有線接口在室內(nèi)進(jìn)行高速數(shù)據(jù)通信時發(fā)生的噪聲問題，以及在具有多個無線通信的環(huán)境中發(fā)生的噪聲問題。

 

室內(nèi)單獨電子設(shè)備都支持更高驅(qū)動頻率，人們對高頻下出現(xiàn)噪聲感到擔(dān)憂。還有一些情況下，同時使用無線LAN 5GHz頻段和LTE 5GHz頻段。

 

以下為發(fā)生這種情況時預(yù)計會出現(xiàn)的一些問題：

設(shè)備相互連接時難以連接到無線LAN時出現(xiàn)的問題

使用多個通信系統(tǒng)時出現(xiàn)下載速度變慢的問題

 

Murata研究了一些出現(xiàn)噪聲的具體案例。

 

噪聲發(fā)生

 

 

噪聲和多個無線通信

LAA/LTE-U簡介

首先，Murata介紹了多種無線通信的實例。雖然Murata非常熟悉使用5GHz頻段進(jìn)行無線通信的Wi-Fi®，但是也確定為智能手機(jī)中采用的LTE系統(tǒng)使用5GHz頻段。采用5GHz頻段的LTE被稱為LAA或LTE-U，這種技術(shù)可通過現(xiàn)有的LTE和載波聚合實現(xiàn)大容量通信。執(zhí)行此操作時，預(yù)計還會同時使用Wi-Fi，這意味著LTE、LAA、Wi-Fi三個系統(tǒng)的電路全部運(yùn)行。Murata研究在這種情況下是否可以沒有任何問題進(jìn)行無線通信。

 

LAA通信案例

 

 

規(guī)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(yùn)行期間開始LAA通信時LAA接收靈敏度的測量結(jié)果。Murata確定Wi-Fi通信打開時接收靈敏度降低。

 

當(dāng)接收靈敏度降低（下方圖2）時，如果基站或接入點的信號強(qiáng)度弱，則無法正常進(jìn)行通信。這意味著數(shù)據(jù)傳輸速率將會減慢，這對一些用戶來說可能是一種壓力。出現(xiàn)這一問題是因為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線電路運(yùn)行時產(chǎn)生噪聲的影響。以前，沒有無線電路以相同的頻率同時運(yùn)行。

 

圖1

 

圖2

 

接收靈敏度降低的原因

為了確認(rèn)接收靈敏度降低的原因，Murata通過系統(tǒng)仿真進(jìn)行了一次檢查。在此仿真中，可為無噪聲環(huán)境實現(xiàn)通信特性，因為每個模塊均在理想狀態(tài)下工作。

 

結(jié)果表明，雖然實際設(shè)備的接收靈敏度降低，但在仿真中沒有看到這種變化。這表明，接收靈敏度降低不僅僅因為LAA和Wi-Fi同時通信。Murata推測原因是每個電路運(yùn)行時產(chǎn)生的噪聲，因此Murata對實際設(shè)備內(nèi)部進(jìn)行了噪聲研究。

 

LAA通信案例

 

圖3: LTE、LAA和Wi-Fi通信時產(chǎn)生的噪聲

 

電源線上的傳導(dǎo)噪聲測量結(jié)果

原理圖（上方圖3）顯示LTE、LAA和Wi-Fi電路塊。在右側(cè)顯示的條件下進(jìn)行通信時，對電源線的噪聲進(jìn)行了測量。結(jié)果顯示，Wi-Fi模塊的電源線在頻譜上具有最高電平，RFIC的電源線具有相同的頻譜。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?shù)诫娫淳€并流入電路塊。

 

Murata總結(jié)了噪聲產(chǎn)生和傳導(dǎo)路徑的要點：

•射頻電路電源線中驗證的噪聲的帶寬為80MHz。

•對于Wi-Fi信號，通信以80MHz帶寬執(zhí)行；對于LTE和LAA，通信以20MHz帶寬執(zhí)行。

•從上述各點，噪聲從Wi-Fi模塊流出并流入電源線。

•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(xiàn)產(chǎn)生噪聲和傳導(dǎo)路徑，因此插入噪聲濾波器降低噪聲傳導(dǎo)。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(jié)果

Murata BLF03VK系列5GHz頻段降噪，用于噪聲濾波器。Murata確認(rèn)當(dāng)傳導(dǎo)噪聲降低時，接收靈敏度得到提高。

 

在使用多個頻率重疊的無線系統(tǒng)的環(huán)境中，噪聲可以從一個通信電路傳導(dǎo)到另一個通信電路，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中。

 

改進(jìn)結(jié)果圖表

 

 

噪聲和高速差分?jǐn)?shù)據(jù)通信

進(jìn)行HDMI通信時的問題

Murata還演示了家庭環(huán)境中進(jìn)行HDMI通信時出現(xiàn)的問題。HDMI廣泛用作視頻系統(tǒng)接口，用于連接BD錄像機(jī)、機(jī)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(biāo)準(zhǔn)中，公布了HDMI2.1版本，但許多用戶可能仍使用2.0或1.4。

 

該表（下方圖4）顯示將口袋電腦插入電視時的結(jié)果，并在HDMI通信時測量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(yùn)行時產(chǎn)生噪聲，降低了接收靈敏度。

 

HDMI通信圖

 

圖3：HDMI通信時Wi-Fi接收靈敏度表

 

研究HDMI通信時的信號

下一個問題：HDMI通信時發(fā)生了什么？Murata對信號狀態(tài)進(jìn)行了調(diào)查。

 

該口袋電腦圖（下方圖5）顯示前述口袋電腦PCB表面的磁場分布映射。它由HDMI連接器、無線電路和控制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(nèi)出現(xiàn)噪聲，則該器件耦合到天線和其他射頻電路上，容易干擾無線通信。在該口袋電腦中，噪聲似乎分布在整個PCB上，因此Murata將電磁波吸收板固定到整個PCB上，并驗證耦合到天線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。

 

圖5

 

B. 可能的有效補(bǔ)救措施

Murata推測HDMI運(yùn)行時產(chǎn)生了噪聲，這也說明信號線中有噪聲。

 

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

 

雖然使用共模扼流線圈沒有發(fā)現(xiàn)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(biāo)器件中占主要地位，因此共模扼流線圈在某些情況下可能有效。）

 

有效性補(bǔ)救措施圖表

 

 

選擇濾波器

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

 

因此，Murata開發(fā)了全新BLF03VK產(chǎn)品系列，可在5GHz頻段內(nèi)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(tǒng)鐵氧體磁珠等低頻增加的阻抗相比，其材料和內(nèi)部結(jié)構(gòu)設(shè)計使阻抗在5GHz時增加。

 

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

 

使用噪聲過濾器的補(bǔ)救措施效果

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

 

黃色填充區(qū)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，接收靈敏度顯著降低。但是，通過使用新型噪聲濾波器進(jìn)行噪聲抑制，可以降低源自HDMI時鐘的窄帶噪聲，從而實現(xiàn)更高接收靈敏度。

 

圖7

 

檢查信號質(zhì)量

由于過濾器插入了HDMI數(shù)據(jù)和時鐘線路，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(yù)合規(guī)性測試結(jié)果顯示，即使使用濾波器，也能通過測試，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(nèi)增加阻抗以及消除噪聲以確保信號質(zhì)量的濾波器，預(yù)計需求將會增加。（注：實際使用濾波器時的波形將根據(jù)IC和設(shè)置環(huán)境而不同，因此需要進(jìn)行驗證）。

 

圖8

 

總結(jié)

Murata提供了兩個用于降低5GHz頻段噪聲的補(bǔ)救措施示例。

 

以前，5GHz頻率不常用，因此用戶可能認(rèn)為噪聲問題不太可能發(fā)生。但是，當(dāng)Murata實際研究噪聲時，它發(fā)現(xiàn)信號和電源系統(tǒng)中都存在噪聲。

 

即使選擇5GHz頻段提供穩(wěn)定、高速的通信，但是如果存在噪聲，則無法實現(xiàn)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(wěn)定的通信質(zhì)量。

 

匯總表