5GHz頻段的噪聲問題及降噪對策

近年來，以智能手機為代表的數碼設備開始配備無線局域網。部分地區引進了將5GHz頻段用于LTE通信的技術（LAA/LTE-U），數據通信實現高速化，預計5GHz頻段的無線通信將越來越普及。

無線局域網中2.4GHz頻段仍是主流，該頻段經常發生通信故障，從而影響其可用性，想必很多人對此都有同感。

那么，使用5GHz頻段的無線局域網，是不發生通信故障，還是不易引起故障？

下面介紹使用5GHz頻段進行通信時出現的噪聲問題及其解決案例。

引人注目的5GHz頻段無線通信

下面介紹2個案例，分別為通過有線接口在室內進行高速數據通信時出現的噪聲問題，以及在多種無線通信環境下出現的問題。

室內各種電子設備所對應的驅動頻率增高，在高頻段容易產生噪聲。有時會同時使用無線局域網的5GHz頻段和LTE的5GHz頻段，對此將在后文說明。

此時，可能存在以下問題：
1.設備之間處于連接狀態時，不易連接無線局域網
2. 使用多種通信方式時，下載速度慢

下面介紹具體的噪聲案例。

進行多種無線通信時產生噪聲的問題

LAA、LTE-U的介紹

首先介紹進行多種無線通信的情況。

正如開頭所述，作為5GHz頻段的無線通信，Wi-Fi已廣為人知，智能手機中使用的LTE方式也確定使用5GHz頻段。

海外的部分區域和終端上已開始采用，數據通信速度將進一步提高。

使用5GHz頻段的LTE被稱為LAA或LTE-U技術，通過與已有LTE進行載波聚合，可實現大容量通信。此時，設想會同時使用Wi-Fi，因此LTE、LAA及Wi-Fi等3種方式的電路處于工作狀態。

此時，是否可以正常進行無線通信？

LAA通信案例

參數

進行多種通信時的接收靈敏度

這些圖表示在Wi-Fi通信狀態下進行LAA通信時的LAA接收靈敏度測量結果。

發現在開啟Wi-Fi通信后，接收靈敏度有所下降。

進行多種通信時的接收靈敏度

接收靈敏度較差時，如果基站或接入點發出的電波強度較小，不僅無法正常通信，還將導致數據速率變慢，從而可能使用戶體驗不佳。

這是因為Wi-Fi和LAA使用同一頻率進行通信而發生的現象，5GHz頻段的電波之間發生干擾或無線電路工作時產生的噪聲也將產生影響。

以往，同一頻率的無線電路不會同時運行，因此不存在上述問題，但今后需要采取相應對策。

信號接收靈敏度下降的原因

通過系統仿真進行分析，以查明接收靈敏度下降的原因。系統仿真中各個模塊的運行狀態更理想，可以獲得無噪聲環境下的通信特性。

LAA通信案例

分析表明，與真實終端中接收靈敏度下降的情況不同，系統仿真未見變化，僅憑LAA與Wi-Fi同時通信的條件，不會導致接收靈敏度下降。

因此，懷疑各電路運行時產生的噪聲是癥結所在，為此對真實終端內部的噪聲進行了調查。

LTE、LAA、WiFi通信時的噪聲

電源線傳導噪聲測量結果

上圖為LTE、LAA、Wi-Fi的電路模塊簡圖。測量按圖中右側條件進行通信時的電源線噪聲。結果顯示，Wi-Fi模塊電源線的譜級最高，在RFIC的電源線中也觀察到了相同頻譜。它與Wi-Fi通信信號的帶寬一致，可以判斷Wi-Fi引起的噪聲通過電源線進行傳導，并進入各電路模塊中。

即，噪聲產生及傳導的路徑如下。

【噪聲產生及傳導的路徑】

在各RF電路電源線中發現的噪聲帶寬為80MHz。

Wi-Fi信號以80MHz的帶寬，LTE、LAA以20MHz的帶寬進行通信。

根據上述內容，噪聲從Wi-Fi模塊傳導至電源線。

噪聲進入各RF電路中，降低接收LNA的信噪比。

最終導致接收靈敏度下降。

應對措施和改善效果

了解噪聲產生和傳導的路徑后，插入噪聲濾波器以抑制噪聲的傳導。插入位置在各種RF電路的電源輸入單元。

濾波器插入位置

應對措施

使用適合去除5GHz頻段噪聲的本公司BLF03VK系列產品。

Size　0.6x0.3 Z at 5GHz BLF03VK600SNL：60Ω BLF03VK221SNG：220Ω	BLF03VK600SNL	?	BLF03VK221SNG

改善效果

可以確認在抑制傳導噪聲的同時，改善了接收靈敏度。

在使用多種頻率重疊無線方式的環境下，噪聲可能從一條通信電路傳導至另一條電路而產生不良影響，因此為電源線配置降噪濾波器，可有效去除特定頻段。

進行高速差動數據通信時產生噪聲的問題

進行HDMI通信時的問題

下面介紹在家庭環境下進行HDMI通信時的問題。

HDMI是將BD錄像機或STB連接到電視的視頻接口，使用范圍廣泛。此外，可將電視用作PC的Stick PC也使用該接口。最新標準公布HDMI的版本為2.1，但多數用戶使用2.0或1.4版。

下表是將StickPC插入電視后進行HDMI通信時的WiFi接收靈敏度測量結果。表中，靈敏度相差將近4dB，說明HDMI電路工作時可能產生了噪聲，從而降低了接收靈敏度。

HDMI通信時的WiFi接收靈敏度

HDMI通信期間的現象調查

HDMI通信期間會發生什么？下面對其現象進行了調查。

上圖為StickPC基板表面的磁場分布圖。由HDMI端子、無線電路和控制IC構成，并局限在15cm ｘ 8cm的空間中，所有電路處于較為集中的狀態。

因此，當設備內部產生噪聲時，將耦合到天線等RF電路中，從而對無線通信造成影響。

觀察發現StickPC的整個基板似乎都分布有噪聲，因此將電波吸收片粘貼于基板整體，確認耦合到天線的噪聲水平是否變化。

結果發現噪聲水平降低10dB左右，判斷噪聲從基板耦合到了天線。

有哪些有效措施？

以上是將電波吸收片粘貼于基板整體以確認改善效果，但如果考慮HDMI工作時產生噪聲的情況，則噪聲可能通過信號線進行傳導。

因此，嘗試在HDMI的信號和時鐘線上使用降噪濾波器。濾波器分為兩種，一種是共模扼流圈，另一種是π型LPF。共模扼流圈是僅去除共模噪聲的濾波器，而不影響差動傳輸線的信號波形。

使用共模扼流圈后未見效果，而π型LPF具有降噪效果。即，本次評價的StickPC會傳導差模噪聲。

※? ? 根據設備不同，可能出現共模噪聲成分占主導的情況，因此有時共模扼流圈也會有效。

選擇濾波器

差模噪聲占主導，因此應選擇對信號沒有影響的濾波器，以作為靜噪措施。

為了在5GHz頻段上實現降噪效果，村田制作所將新開發的BLF03VK系列進行了商品化。并從中選出具有一定特性的產品。

■ 5GHz頻段用鐵氧體磁珠

【特征】為了區別于傳統鐵氧體磁珠“阻抗從低頻開始增加”的特性，對材料和內部結構進行了精心設計，使其在5GHz下實現阻抗增加。

在這里僅介紹5GHz頻段用濾波器，此外還提供適用于2.4GHz頻段或700MHz頻段的濾波器。

其他系列請參看此處　?

噪聲濾波器的使用效果

將π型濾波器換成BLF03VK后的降噪效果確認結果如下圖所示?？梢源_認時鐘的諧波成分降低了10dB左右。

黃色填充部分表示WiFi（11ac）所使用的通道，可在36ch和124ch上確認噪聲。

在產生噪聲的通道中，接收靈敏度顯著下降，但使用新的噪聲濾波器后，HDMI時鐘引起的窄帶噪聲有所減少，接收靈敏度也得到改善。

確認信號完整性

在HDMI的數據和時鐘線上插入濾波器，確認信號完整性。

HDMI1.4的信號波形

HDMI1.4預一致性測試結果表明，即便使用濾波器也不會碰到眼圖波罩，可以順利通過測試。

這是因為BLF03VK系列在低頻段保持較低阻抗的特性非常有效，因此為了保證信號的完整性，今后需要僅增大要降噪頻段阻抗的濾波器。

※? ? 但實際使用時的波形因IC或安裝環境而不同，因此需要確認。

總結

以上介紹了2個5GHz頻段的靜噪案例。

由于人們對5GHz還不夠了解，因此覺得該頻段不易引起噪聲問題，但經過調查，發現信號系統和電源系統均有噪聲問題。

即使為實現穩定的高速通信而選擇了5GHz頻段，如果存在噪聲問題，也無法獲得最好的性能。

使用上述靜噪元件，可以實現低噪聲環境，確保穩定的通信質量。

本次使用的系列

BLF03VK是為有效去除5GHz噪聲而設計的噪聲濾波器。

Size　0.6x0.3 Z at 5GHz BLF03VK600SNL：60Ω BLF03VK221SNG：220Ω

BLF03VK600SNL

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BLF03VK221SNG