關于降低5GHz頻段噪聲的補救方案

越來越多的智能手機和其他數字設備增添了無線LAN功能。在某些地區，采用5GHz頻段進行LTE通信 (LAA/LTE-U)，實現更高速度數據通信。而且，由于5GHz頻段的無線通信預計將持續增長，Murata使用5GHz頻段研究通信中出現的噪聲問題，開發出多種解決方案。

時間表

5GHZ頻段的無線通信

Murata研究了使用有線接口在室內進行高速數據通信時發生的噪聲問題，以及在具有多個無線通信的環境中發生的噪聲問題。

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

以下為發生這種情況時預計會出現的一些問題：

設備相互連接時難以連接到無線LAN時出現的問題

使用多個通信系統時出現下載速度變慢的問題

Murata研究了一些出現噪聲的具體案例。

噪聲發生

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頻段進行無線通信的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被稱為LAA或LTE-U，這種技術可通過現有的LTE和載波聚合實現大容量通信。執行此操作時，預計還會同時使用Wi-Fi，這意味著LTE、LAA、Wi-Fi三個系統的電路全部運行。Murata研究在這種情況下是否可以沒有任何問題進行無線通信。

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通信運行期間開始LAA通信時LAA接收靈敏度的測量結果。Murata確定Wi-Fi通信打開時接收靈敏度降低。

當接收靈敏度降低（下方圖2）時，如果基站或接入點的信號強度弱，則無法正常進行通信。這意味著數據傳輸速率將會減慢，這對一些用戶來說可能是一種壓力。出現這一問題是因為Wi-Fi和LAA使用相同頻率進行通信，這是由于5GHz頻段的信號相互干擾或無線電路運行時產生噪聲的影響。以前，沒有無線電路以相同的頻率同時運行。

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通過系統仿真進行了一次檢查。在此仿真中，可為無噪聲環境實現通信特性，因為每個模塊均在理想狀態下工作。

結果表明，雖然實際設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行時產生的噪聲，因此Murata對實際設備內部進行了噪聲研究。

LAA通信案例

圖3: LTE、LAA和Wi-Fi通信時產生的噪聲

電源線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行通信時，對電源線的噪聲進行了測量。結果顯示，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的噪聲被傳輸到電源線并流入電路塊。

Murata總結了噪聲產生和傳導路徑的要點：

?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帶寬執行；對于LTE和LAA，通信以20MHz帶寬執行。

?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發現產生噪聲和傳導路徑，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，接收靈敏度得到提高。

在使用多個頻率重疊的無線系統的環境中，噪聲可以從一個通信電路傳導到另一個通信電路，并對其產生不利影響。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。

改進結果圖表

噪聲和高速差分數據通信

進行HDMI通信時的問題

Murata還演示了家庭環境中進行HDMI通信時出現的問題。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電路運行時產生噪聲，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通信時發生了什么？Murata對信號狀態進行了調查。

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，如果器件內出現噪聲，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. 可能的有效補救措施

Murata推測HDMI運行時產生了噪聲，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不得不選擇一個濾波器，可以降低噪聲，但不影響信號。

因此，Murata開發了全新BLF03VK產品系列，可在5GHz頻段內有效降低噪聲。Murata從該產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救措施效果

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

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

圖7

檢查信號質量

由于過濾器插入了HDMI數據和時鐘線路，因此檢查了信號質量。（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量的濾波器，預計需求將會增加。（注：實際使用濾波器時的波形將根據IC和設置環境而不同，因此需要進行驗證）。

圖8

總結

Murata提供了兩個用于降低5GHz頻段噪聲的補救措施示例。

以前，5GHz頻率不常用，因此用戶可能認為噪聲問題不太可能發生。但是，當Murata實際研究噪聲時，它發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，則無法實現最高性能。Murata的噪聲抑制產品可用于創建低噪聲環境，確保穩定的通信質量。

匯總表

編輯：hfy