【干货分享】5GHz频段的噪声问题及降噪对策

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前言
近年来,以智能手机为代表的数码设备开始配备无线局域网。部分地区引进了将5GHz频段用于LTE通信的技术(LAA/LTE-U),数据通信实现高速化,预计5GHz频段的无线通信将越来越普及。

5GHz频段的无线通信

无线局域网中2.4GHz频段仍是主流,该频段经常发生通信故障,从而影响其可用性,想必很多人对此都有同感。

那么,使用5GHz频段的无线局域网,是不发生通信故障,还是不易引起故障?

下面介绍使用5GHz频段进行通信时出现的噪声问题及其解决案例。

引人注目的5GHz频段无线通信

下面介绍2个案例,分别为通过有线接口在室内进行高速数据通信时出现的噪声问题,以及在多种无线通信环境下出现的问题。

室内各种电子设备所对应的驱动频率增高,在高频段容易产生噪声。有时会同时使用无线局域网的5GHz频段和LTE的5GHz频段,对此将在后文说明。

此时,可能存在以下问题:
1.设备之间处于连接状态时,不易连接无线局域网
2. 使用多种通信方式时,下载速度慢

下面介绍具体的噪声案例。

噪声案例

进行多种无线通信时产生噪声的问题

LAA、LTE-U的介绍

首先介绍进行多种无线通信的情况。

正如开头所述,作为5GHz频段的无线通信,Wi-Fi已广为人知,智能手机中使用的LTE方式也确定使用5GHz频段。

海外的部分区域和终端上已开始采用,数据通信速度将进一步提高。

使用5GHz频段的LTE被称为LAA或LTE-U技术,通过与已有LTE进行载波聚合,可实现大容量通信。此时,设想会同时使用Wi-Fi,因此LTE、LAA及Wi-Fi等3种方式的电路处于工作状态。

此时,是否可以正常进行无线通信?

  • LAA通信案例

LAA通信案例

  • 参数

参数

进行多种通信时的接收灵敏度

这些图表示在Wi-Fi通信状态下进行LAA通信时的LAA接收灵敏度测量结果。

发现在开启Wi-Fi通信后,接收灵敏度有所下降。

在Wi-Fi通信状态下进行LAA通信时的LAA接收灵敏度测量结果

进行多种通信时的接收灵敏度

进行多种通信时的接收灵敏度

接收灵敏度较差时,如果基站或接入点发出的电波强度较小,不仅无法正常通信,还将导致数据速率变慢,从而可能使用户体验不佳。

这是因为Wi-Fi和LAA使用同一频率进行通信而发生的现象,5GHz频段的电波之间发生干扰或无线电路工作时产生的噪声也将产生影响。

以往,同一频率的无线电路不会同时运行,因此不存在上述问题,但今后需要采取相应对策。

信号接收灵敏度下降的原因

通过系统仿真进行分析,以查明接收灵敏度下降的原因。系统仿真中各个模块的运行状态更理想,可以获得无噪声环境下的通信特性。

  • LAA通信案例

LAA通信案例

分析表明,与真实终端中接收灵敏度下降的情况不同,系统仿真未见变化,仅凭LAA与Wi-Fi同时通信的条件,不会导致接收灵敏度下降。

因此,怀疑各电路运行时产生的噪声是症结所在,为此对真实终端内部的噪声进行了调查。

  • LTE、LAA、WiFi通信时的噪声

电源线传导噪声测量结果

电源线传导噪声测量结果

上图为LTE、LAA、Wi-Fi的电路模块简图。测量按图中右侧条件进行通信时的电源线噪声。结果显示,Wi-Fi模块电源线的谱级最高,在RFIC的电源线中也观察到了相同频谱。它与Wi-Fi通信信号的带宽一致,可以判断Wi-Fi引起的噪声通过电源线进行传导,并进入各电路模块中。

即,噪声产生及传导的路径如下。

【噪声产生及传导的路径】

  • 在各RF电路电源线中发现的噪声带宽为80MHz。
  • Wi-Fi信号以80MHz的带宽,LTE、LAA以20MHz的带宽进行通信。
  • 根据上述内容,噪声从Wi-Fi模块传导至电源线。
  • 噪声进入各RF电路中,降低接收LNA的信噪比。
  • 最终导致接收灵敏度下降。

应对措施和改善效果

了解噪声产生和传导的路径后,插入噪声滤波器以抑制噪声的传导。插入位置在各种RF电路的电源输入单元。

滤波器插入位置

滤波器插入位置

应对措施

使用适合去除5GHz频段噪声的本公司BLF03VK系列产品。

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

 

改善效果

可以确认在抑制传导噪声的同时,改善了接收灵敏度。

改善效果

在使用多种频率重叠无线方式的环境下,噪声可能从一条通信电路传导至另一条电路而产生不良影响,因此为电源线配置降噪滤波器,可有效去除特定频段。

进行高速差动数据通信时产生噪声的问题

进行HDMI通信时的问题

下面介绍在家庭环境下进行HDMI通信时的问题。

HDMI是将BD录像机或STB连接到电视的视频接口,使用范围广泛。此外,可将电视用作PC的Stick PC也使用该接口。最新标准公布HDMI的版本为2.1,但多数用户使用2.0或1.4版。

在家庭环境下进行HDMI通信时的问题

下表是将StickPC插入电视后进行HDMI通信时的WiFi接收灵敏度测量结果。表中,灵敏度相差将近4dB,说明HDMI电路工作时可能产生了噪声,从而降低了接收灵敏度。

  • HDMI通信时的WiFi接收灵敏度

HDMI通信时的WiFi接收灵敏度

HDMI通信期间的现象调查

HDMI通信期间会发生什么?下面对其现象进行了调查。

HDMI通信期间的现象调查

上图为StickPC基板表面的磁场分布图。由HDMI端子、无线电路和控制IC构成,并局限在15cm x 8cm的空间中,所有电路处于较为集中的状态。

因此,当设备内部产生噪声时,将耦合到天线等RF电路中,从而对无线通信造成影响。

观察发现StickPC的整个基板似乎都分布有噪声,因此将电波吸收片粘贴于基板整体,确认耦合到天线的噪声水平是否变化。

结果发现噪声水平降低10dB左右,判断噪声从基板耦合到了天线。

有哪些有效措施?

以上是将电波吸收片粘贴于基板整体以确认改善效果,但如果考虑HDMI工作时产生噪声的情况,则噪声可能通过信号线进行传导。

因此,尝试在HDMI的信号和时钟线上使用降噪滤波器。滤波器分为两种,一种是共模扼流圈,另一种是π型LPF。共模扼流圈是仅去除共模噪声的滤波器,而不影响差动传输线的信号波形。

共模扼流圈的效果   LPF的效果

使用共模扼流圈后未见效果,而π型LPF具有降噪效果。即,本次评价的StickPC会传导差模噪声。

※    根据设备不同,可能出现共模噪声成分占主导的情况,因此有时共模扼流圈也会有效。

选择滤波器

差模噪声占主导,因此应选择对信号没有影响的滤波器,以作为静噪措施。

为了在5GHz频段上实现降噪效果,村田制作所将新开发的BLF03VK系列进行了商品化。并从中选出具有一定特性的产品。

■ 5GHz频段用铁氧体磁珠

【特征】为了区别于传统铁氧体磁珠“阻抗从低频开始增加”的特性,对材料和内部结构进行了精心设计,使其在5GHz下实现阻抗增加。

5GHz频段用铁氧体磁珠

Murata
Part Number
Impedance@5GHz
(ohm_typ)
Rated Current
(mA)
DC Resistance (max.) (ohm)
220 800 0.155
60 1200 0.065

在这里仅介绍5GHz频段用滤波器,此外还提供适用于2。4GHz频段或700MHz频段的滤波器。

噪声滤波器的使用效果

将π型滤波器换成BLF03VK后的降噪效果确认结果如下图所示。可以确认时钟的谐波成分降低了10dB左右。

耦合到天线的噪声   WiFi 接收灵敏度

黄色填充部分表示WiFi(11ac)所使用的通道,可在36ch和124ch上确认噪声。

在产生噪声的通道中,接收灵敏度显著下降,但使用新的噪声滤波器后,HDMI时钟引起的窄带噪声有所减少,接收灵敏度也得到改善。

确认信号完整性

在HDMI的数据和时钟线上插入滤波器,确认信号完整性。

确认信号完整性

  • HDMI1.4的信号波形

HDMI1.4预一致性测试结果表明,即便使用滤波器也不会碰到眼图波罩,可以顺利通过测试。

这是因为BLF03VK系列在低频段保持较低阻抗的特性非常有效,因此为了保证信号的完整性,今后需要仅增大要降噪频段阻抗的滤波器。

※    但实际使用时的波形因IC或安装环境而不同,因此需要确认。

总结

总结

以上介绍了2个5GHz频段的静噪案例。

由于人们对5GHz还不够了解,因此觉得该频段不易引起噪声问题,但经过调查,发现信号系统和电源系统均有噪声问题。

即使为实现稳定的高速通信而选择了5GHz频段,如果存在噪声问题,也无法获得最好的性能。

使用上述静噪元件,可以实现低噪声环境,确保稳定的通信质量。

本次使用的系列

BLF03VK是为有效去除5GHz噪声而设计的噪声滤波器。

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

 
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