5GHz频段的噪声问题/噪声抑制解决方案

周一, 22 三月 2021 - 16:49

越来越多的智能手机和其他数字设备增添了无线LAN功能。在某些地区，采用5GHz频段进行LTE通信 (LAA/LTE-U)，实现更高速度数据通信。而且，由于5GHz频段的无线通信预计将持续增长，Murata使用5GHz频段研究通信中出现的噪声问题，开发出多种解决方案。

时间表

5GHZ频段的无线通信

Murata研究了使用有线接口在室内进行高速数据通信时发生的噪声问题，以及在具有多个无线通信的环境中发生的噪声问题。

室内单独电子设备都支持更高驱动频率，人们对高频下出现噪声感到担忧。还有一些情况下，同时使用无线LAN 5GHz频段和LTE 5GHz频段。

以下为发生这种情况时预计会出现的一些问题：

<ul>
<li>设备相互连接时难以连接到无线LAN时出现的问题</li>
<li>使用多个通信系统时出现下载速度变慢的问题</li>
</ul>

Murata研究了一些出现噪声的具体案例。

噪声发生

噪声和多个无线通信

LAA/LTE-U简介

首先，Murata介绍了多种无线通信的实例。虽然Murata非常熟悉使用5GHz频段进行无线通信的Wi-Fi®，但是也确定为智能手机中采用的LTE系统使用5GHz频段。采用5GHz频段的LTE被称为LAA或LTE-U，这种技术可通过现有的LTE和载波聚合实现大容量通信。执行此操作时，预计还会同时使用Wi-Fi，这意味着LTE、LAA、Wi-Fi三个系统的电路全部运行。Murata研究在这种情况下是否可以没有任何问题进行无线通信。

LAA通信案例

规格

接收灵敏度和多种通信

接收灵敏度图（下方图1）显示了在Wi-Fi通信运行期间开始LAA通信时LAA接收灵敏度的测量结果。Murata确定Wi-Fi通信打开时接收灵敏度降低。

当接收灵敏度降低（下方图2）时，如果基站或接入点的信号强度弱，则无法正常进行通信。这意味着数据传输速率将会减慢，这对一些用户来说可能是一种压力。出现这一问题是因为Wi-Fi和LAA使用相同频率进行通信，这是由于5GHz频段的信号相互干扰或无线电路运行时产生噪声的影响。以前，没有无线电路以相同的频率同时运行。

图1

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图2

接收灵敏度降低的原因

为了确认接收灵敏度降低的原因，Murata通过系统仿真进行了一次检查。在此仿真中，可为无噪声环境实现通信特性，因为每个模块均在理想状态下工作。

结果表明，虽然实际设备的接收灵敏度降低，但在仿真中没有看到这种变化。这表明，接收灵敏度降低不仅仅因为LAA和Wi-Fi同时通信。Murata推测原因是每个电路运行时产生的噪声，因此Murata对实际设备内部进行了噪声研究。

LAA通信案例

图3: LTE、LAA和Wi-Fi通信时产生的噪声

电源线上的传导噪声测量结果

原理图（上方图3）显示LTE、LAA和Wi-Fi电路块。在右侧显示的条件下进行通信时，对电源线的噪声进行了测量。结果显示，Wi-Fi模块的电源线在频谱上具有最高电平，RFIC的电源线具有相同的频谱。这与Wi-Fi通信信号的带宽相匹配，表明源自Wi-Fi的噪声被传输到电源线并流入电路块。

Murata总结了噪声产生和传导路径的要点： 
•射频电路电源线中验证的噪声的带宽为80MHz。 
•对于Wi-Fi信号，通信以80MHz带宽执行；对于LTE和LAA，通信以20MHz带宽执行。 
•从上述各点，噪声从Wi-Fi模块流出并流入电源线。 
•噪声流入射频电路，其降低接收LNA的信噪比 (S/N)。 
•这最终降低了接收灵敏度。

噪声抑制滤波器

由于Murata发现产生噪声和传导路径，因此插入噪声滤波器降低噪声传导。噪声滤波器插入射频电路的电源输入单元。

滤波器插入位置

噪声抑制方法和改进结果

Murata BLF03VK系列5GHz频段降噪，用于噪声滤波器。Murata确认当传导噪声降低时，接收灵敏度得到提高。

在使用多个频率重叠的无线系统的环境中，噪声可以从一个通信电路传导到另一个通信电路，并对其产生不利影响。有效对策是将能够消除特定频段的降噪滤波器置于电源线中。

改进结果图表

噪声和高速差分数据通信

进行HDMI通信时的问题 
Murata还演示了家庭环境中进行HDMI通信时出现的问题。HDMI广泛用作视频系统接口，用于连接BD录像机、机顶盒和电视。它还可用作口袋电脑接口，将电视变成电脑。在最新标准中，公布了HDMI2.1版本，但许多用户可能仍使用2.0或1.4。

该表（下方图4）显示将口袋电脑插入电视时的结果，并在HDMI通信时测量Wi-Fi接收灵敏度。如表所示，灵敏度降低略小于4dB，并且HDMI电路运行时产生噪声，降低了接收灵敏度。

HDMI通信图

图3：HDMI通信时Wi-Fi接收灵敏度表

研究HDMI通信时的信号

下一个问题：HDMI通信时发生了什么？ Murata对信号状态进行了调查。

该口袋电脑图（下方图5）显示前述口袋电脑PCB表面的磁场分布映射。它由HDMI连接器、无线电路和控制IC组成。由于封装尺寸约为15cm x 8cm，因此所有电路非常接近。

因此，如果器件内出现噪声，则该器件耦合到天线和其他射频电路上，容易干扰无线通信。在该口袋电脑中，噪声似乎分布在整个PCB上，因此Murata将电磁波吸收板固定到整个PCB上，并验证耦合到天线上的噪声水平是否变化。

噪声水平下降约10dB，表明噪声从PCB耦合到天线。

图5

B. 可能的有效补救措施

Murata推测HDMI运行时产生了噪声，这也说明信号线中有噪声。

Murata决定尝试使用HDMI信号和时钟线路用降噪滤波器。使用了两种类型的滤波器：共模扼流线圈和Pi低通滤波器 (LPF)。共模扼流线圈是一款滤波器，仅对消除共模噪声有效，不影响差分传输线路的信号波形。

虽然使用共模扼流线圈没有发现任何效果，但是Pi LPF可有效降低噪声。这表明口袋电脑中有差分模式噪声。（注：共模噪声元件可能在某些目标器件中占主要地位，因此共模扼流线圈在某些情况下可能有效。）

有效性补救措施图表

选择滤波器

由于差模噪声占主要地位，所以Murata不得不选择一个滤波器，可以降低噪声，但不影响信号。

因此，Murata开发了全新BLF03VK产品系列，可在5GHz频段内有效降低噪声。Murata从该产品系列中选择具有这些特性的项目。

5GHz频段用铁氧体磁珠

特性：与传统铁氧体磁珠等低频增加的阻抗相比，其材料和内部结构设计使阻抗在5GHz时增加。

选择滤波器概述（下方图6）仅研究了5GHz频段滤波器，但Murata的产品系列还包括2.4GHz和700MHz频段滤波器。

图6

使用噪声过滤器的补救措施效果

该图（下方图7）显示Pi滤波器被BLF03VK取代时的结果，并验证降噪效果。经证实，时钟的高频分量减少了约10dB。

黄色填充区域表示Wi-Fi (11ac) 使用的通道，在通道36和124中可以看到噪声。因此，在产生噪声的通道中，接收灵敏度显著降低。但是，通过使用新型噪声滤波器进行噪声抑制，可以降低源自HDMI时钟的窄带噪声，从而实现更高接收灵敏度。

图7

检查信号质量

由于过滤器插入了HDMI数据和时钟线路，因此检查了信号质量。（下方图8）

HDMI 1.4信号波形

HDMI 1.4预合规性测试结果显示，即使使用滤波器，也能通过测试，不用戴眼罩。部分原因是BLF03VK系列在低频段具有小阻抗。对于仅在特定频段内增加阻抗以及消除噪声以确保信号质量的滤波器，预计需求将会增加。（注：实际使用滤波器时的波形将根据IC和设置环境而不同，因此需要进行验证）。

图8

总结

Murata提供了两个用于降低5GHz频段噪声的补救措施示例。

以前，5GHz频率不常用，因此用户可能认为噪声问题不太可能发生。但是，当Murata实际研究噪声时，它发现信号和电源系统中都存在噪声。

即使选择5GHz频段提供稳定、高速的通信，但是如果存在噪声，则无法实现最高性能。Murata的噪声抑制产品可用于创建低噪声环境，确保稳定的通信质量。

汇总表