5GHz頻段的無線通信將越來越普及

前言

近年來，以智能手機(jī)為代表的數(shù)碼設(shè)備開始配備無線局域網(wǎng)。部分地區(qū)引進(jìn)了將5GHz頻段用于LTE通信的技術(shù)（LAA/LTE-U），數(shù)據(jù)通信實(shí)現(xiàn)高速化，預(yù)計(jì)5GHz頻段的無線通信將越來越普及。

無線局域網(wǎng)中2.4GHz頻段仍是主流，該頻段經(jīng)常發(fā)生通信故障，從而影響其可用性，想必很多人對(duì)此都有同感。

那么，使用5GHz頻段的無線局域網(wǎng)，是不發(fā)生通信故障，還是不易引起故障？

下面介紹使用5GHz頻段進(jìn)行通信時(shí)出現(xiàn)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(gè)案例，分別為通過有線接口在室內(nèi)進(jìn)行高速數(shù)據(jù)通信時(shí)出現(xiàn)的噪聲問題，以及在多種無線通信環(huán)境下出現(xiàn)的問題。

室內(nèi)各種電子設(shè)備所對(duì)應(yīng)的驅(qū)動(dòng)頻率增高，在高頻段容易產(chǎn)生噪聲。有時(shí)會(huì)同時(shí)使用無線局域網(wǎng)的5GHz頻段和LTE的5GHz頻段，對(duì)此將在后文說明。

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

下面介紹具體的噪聲案例。

進(jìn)行多種無線通信時(shí)產(chǎn)生噪聲的問題

1 LAA、LTE-U的介紹

首先介紹進(jìn)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(jī)中使用的LTE方式也確定使用5GHz頻段。

海外的部分區(qū)域和終端上已開始采用，數(shù)據(jù)通信速度將進(jìn)一步提高。

使用5GHz頻段的LTE被稱為LAA或LTE-U技術(shù)，通過與已有LTE進(jìn)行載波聚合，可實(shí)現(xiàn)大容量通信。此時(shí)，設(shè)想會(huì)同時(shí)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(tài)。

此時(shí)，是否可以正常進(jìn)行無線通信？

LAA通信案例

參數(shù)

2 進(jìn)行多種通信時(shí)的接收靈敏度

這些圖表示在Wi-Fi通信狀態(tài)下進(jìn)行LAA通信時(shí)的LAA接收靈敏度測量結(jié)果。

發(fā)現(xiàn)在開啟Wi-Fi通信后，接收靈敏度有所下降。

進(jìn)行多種通信時(shí)的接收靈敏度

接收靈敏度較差時(shí)，如果基站或接入點(diǎn)發(fā)出的電波強(qiáng)度較小，不僅無法正常通信，還將導(dǎo)致數(shù)據(jù)速率變慢，從而可能使用戶體驗(yàn)不佳。

這是因?yàn)閃i-Fi和LAA使用同一頻率進(jìn)行通信而發(fā)生的現(xiàn)象，5GHz頻段的電波之間發(fā)生干擾或無線電路工作時(shí)產(chǎn)生的噪聲也將產(chǎn)生影響。

以往，同一頻率的無線電路不會(huì)同時(shí)運(yùn)行，因此不存在上述問題，但今后需要采取相應(yīng)對(duì)策。

3 信號(hào)接收靈敏度下降的原因

通過系統(tǒng)仿真進(jìn)行分析，以查明接收靈敏度下降的原因。系統(tǒng)仿真中各個(gè)模塊的運(yùn)行狀態(tài)更理想，可以獲得無噪聲環(huán)境下的通信特性。

LAA通信案例

分析表明，與真實(shí)終端中接收靈敏度下降的情況不同，系統(tǒng)仿真未見變化，僅憑LAA與Wi-Fi同時(shí)通信的條件，不會(huì)導(dǎo)致接收靈敏度下降。

因此，懷疑各電路運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生的噪聲是癥結(jié)所在，為此對(duì)真實(shí)終端內(nèi)部的噪聲進(jìn)行了調(diào)查。

LTE、LAA、WiFi通信時(shí)的噪聲

電源線傳導(dǎo)噪聲測量結(jié)果

上圖為LTE、LAA、Wi-Fi的電路模塊簡圖。測量按圖中右側(cè)條件進(jìn)行通信時(shí)的電源線噪聲。結(jié)果顯示，Wi-Fi模塊電源線的譜級(jí)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(hào)的帶寬一致，可以判斷Wi-Fi引起的噪聲通過電源線進(jìn)行傳導(dǎo)，并進(jìn)入各電路模塊中。

即，噪聲產(chǎn)生及傳導(dǎo)的路徑如下。

【噪聲產(chǎn)生及傳導(dǎo)的路徑】

在各RF電路電源線中發(fā)現(xiàn)的噪聲帶寬為80MHz。

Wi-Fi信號(hào)以80MHz的帶寬，LTE、LAA以20MHz的帶寬進(jìn)行通信。

根據(jù)上述內(nèi)容，噪聲從Wi-Fi模塊傳導(dǎo)至電源線。

噪聲進(jìn)入各RF電路中，降低接收LNA的信噪比。

最終導(dǎo)致接收靈敏度下降。

4 應(yīng)對(duì)措施和改善效果

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

濾波器插入位置

5 應(yīng)對(duì)措施

使用適合去除5GHz頻段噪聲的本公司BLF03VK系列產(chǎn)品。

6 改善效果

可以確認(rèn)在抑制傳導(dǎo)噪聲的同時(shí)，改善了接收靈敏度。

在使用多種頻率重疊無線方式的環(huán)境下，噪聲可能從一條通信電路傳導(dǎo)至另一條電路而產(chǎn)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(jìn)行高速差動(dòng)數(shù)據(jù)通信時(shí)產(chǎn)生噪聲的問題

1 進(jìn)行HDMI通信時(shí)的問題

下面介紹在家庭環(huán)境下進(jìn)行HDMI通信時(shí)的問題。

HDMI是將BD錄像機(jī)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(biāo)準(zhǔn)公布HDMI的版本為2.1，但多數(shù)用戶使用2.0或1.4版。

下表是將StickPC插入電視后進(jìn)行HDMI通信時(shí)的WiFi接收靈敏度測量結(jié)果。表中，靈敏度相差將近4dB，說明HDMI電路工作時(shí)可能產(chǎn)生了噪聲，從而降低了接收靈敏度。

HDMI通信時(shí)的WiFi接收靈敏度

2 HDMI通信期間的現(xiàn)象調(diào)查

HDMI通信期間會(huì)發(fā)生什么？下面對(duì)其現(xiàn)象進(jìn)行了調(diào)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(gòu)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(tài)。

因此，當(dāng)設(shè)備內(nèi)部產(chǎn)生噪聲時(shí)，將耦合到天線等RF電路中，從而對(duì)無線通信造成影響。

觀察發(fā)現(xiàn)StickPC的整個(gè)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(rèn)耦合到天線的噪聲水平是否變化。

結(jié)果發(fā)現(xiàn)噪聲水平降低10dB左右，判斷噪聲從基板耦合到了天線。

3 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(rèn)改善效果，但如果考慮HDMI工作時(shí)產(chǎn)生噪聲的情況，則噪聲可能通過信號(hào)線進(jìn)行傳導(dǎo)。

因此，嘗試在HDMI的信號(hào)和時(shí)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(dòng)傳輸線的信號(hào)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(píng)價(jià)的StickPC會(huì)傳導(dǎo)差模噪聲。

※ 根據(jù)設(shè)備不同，可能出現(xiàn)共模噪聲成分占主導(dǎo)的情況，因此有時(shí)共模扼流圈也會(huì)有效。

4 選擇濾波器

差模噪聲占主導(dǎo)，因此應(yīng)選擇對(duì)信號(hào)沒有影響的濾波器，以作為靜噪措施。

為了在5GHz頻段上實(shí)現(xiàn)降噪效果，村田制作所將新開發(fā)的BLF03VK系列進(jìn)行了商品化。并從中選出具有一定特性的產(chǎn)品。

5GHz頻段用鐵氧體磁珠

【特征】為了區(qū)別于傳統(tǒng)鐵氧體磁珠“阻抗從低頻開始增加”的特性，對(duì)材料和內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行了精心設(shè)計(jì)，使其在5GHz下實(shí)現(xiàn)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(qǐng)參看此處：

https://www.murata.com/zh-cn/search/productsearch?partno=BLF

5 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(rèn)結(jié)果如下圖所示?？梢源_認(rèn)時(shí)鐘的諧波成分降低了10dB左右。

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

在產(chǎn)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(shí)鐘引起的窄帶噪聲有所減少，接收靈敏度也得到改善。

6 確認(rèn)信號(hào)完整性

在HDMI的數(shù)據(jù)和時(shí)鐘線上插入濾波器，確認(rèn)信號(hào)完整性。

HDMI1.4的信號(hào)波形

HDMI1.4預(yù)一致性測試結(jié)果表明，即便使用濾波器也不會(huì)碰到眼圖波罩，可以順利通過測試。

這是因?yàn)锽LF03VK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(hào)的完整性，今后需要僅增大要降噪頻段阻抗的濾波器。

※ 但實(shí)際使用時(shí)的波形因IC或安裝環(huán)境而不同，因此需要確認(rèn)。

總結(jié)

以上介紹了2個(gè)5GHz頻段的靜噪案例。

由于人們對(duì)5GHz還不夠了解，因此覺得該頻段不易引起噪聲問題，但經(jīng)過調(diào)查，發(fā)現(xiàn)信號(hào)系統(tǒng)和電源系統(tǒng)均有噪聲問題。

即使為實(shí)現(xiàn)穩(wěn)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(shí)現(xiàn)低噪聲環(huán)境，確保穩(wěn)定的通信質(zhì)量。

本次使用的系列

BLF03VK是為有效去除5GHz噪聲而設(shè)計(jì)的噪聲濾波器。