Murata Rauschprobleme/Rauschunterdrückung im 5-GHz-Band

Drahtlose Kommunikation im 5-GHz-Band

Murata prüfte die Möglichkeit von auftretenden Rauschproblemen bei einer Hochgeschwindigkeits-Datenkommunikation in Innenräumen mit einer verdrahteten Schnittstelle, sowie die Möglichkeit von auftretenden Rauschproblemen in Umgebungen mit mehreren drahtlosen Kommunikationen.

Höhere Antriebsfrequenzen werden von einzelnen elektronischen Bauteilen in Innenräumen unterstützt und bei hohen Frequenzen gibt es Bedenken hinsichtlich der Möglichkeit von Rauschen. Darüber hinaus gab es Fälle, in denen das drahtlose LAN.5-GHz-Band und das LTE-5-GHz-Band gleichzeitig verwendet werden.

Hier sind einige der Probleme die auftreten können, wenn dies zutrifft:
        •  Probleme bei der Verbindung mit dem drahtlosen LAN, wenn Geräte miteinander verbunden sind
        •Probleme, bei denen die Downloads langsamer werden, wenn mehrere Kommunikationssysteme verwendet werden

Murata befasste sich eingehender mit einigen konkreten Fällen, bei denen ein Rauschen entsteht.

Rauschen und mehrere drahtlose Kommunikationen

Einführung von LAA/LTE-U
Als Erstes befasste sich Murata mit dem Fall von mehreren drahtlosen Kommunikationen. Obwohl Murata mit dem Wi-Fi® für die drahtlose Kommunikation mit dem 5-GHz-Band bestens vertraut ist, wurde auch die Nutzung des 5-GHz-Bands für das LTE-System, das in Smartphones verwendet wird, untersucht. LTE, das mit dem 5-GHz-Band verwendet wird, wird als LAA oder LTE-U bezeichnet und es ist eine Technologie, die eine Kommunikation mit hohem Volumen über eine bestehende LTE- und Trägeraggregation ermöglicht. Bei diesem Vorgehen wird erwartet, dass gleichzeitig WLAN verwendet wird, d. h. die Schaltungen der drei Systeme LTE, LAA, WLAN werden alle gleichzeitig betrieben. Murata prüfte, ob die drahtlose Kommunikation in dieser Situation ohne Probleme durchgeführt werden kann.

Empfangsempfindlichkeit und Mehrfachkommunikation

Das Empfangsempfindlichkeitsdiagramm (Abbildung 1 unten) zeigt die Messergebnisse für die LAA-Empfangsempfindlichkeit, wenn die LAA-Kommunikation gestartet wird, während die WLAN-Kommunikation bereits läuft. Murata stellte fest, dass beim Einschalten der WLAN-Kommunikation die Empfangsempfindlichkeit reduziert wurde.

Wenn die Empfangsempfindlichkeit reduziert wird (Abbildung 2 unten), kann die Kommunikation nicht ordnungsgemäß durchgeführt werden, wenn die Signalstärke von der Basisstation oder dem Zugangspunkt schwach ist. Das bedeutet, dass die Datenrate verlangsamt wird, was möglicherweise für einige Benutzer eine Stresssituation darstellt. Dieses Problem tritt auf, weil WLAN und LAA mit der gleichen Frequenz kommunizieren. Dies ist auf die Effekte des Rauschens zurückzuführen, das erzeugt wird, wenn sich Signale im 5-GHz-Band gegenseitig stören oder die drahtlosen Schaltungen betrieben werden. Zuvor gab es keine drahtlosen Schaltungen mit der gleichen Frequenz, die gleichzeitig betrieben wurden.

Ursachen für eine reduzierte Empfangsempfindlichkeit

Um die Ursachen einer reduzierten Empfangsempfindlichkeit zu bestätigen, führte Murata eine Untersuchung mit einer Systemsimulation durch. Bei dieser Simulation werden die Kommunikationseigenschaften für eine Umgebung erzielt, in der kein Rauschen auftritt, da jeder Block im idealen Zustand arbeitet.

Die Ergebnisse zeigen, dass sich die Empfangsempfindlichkeit in tatsächlichen Geräten reduzierte, aber diese Änderung in der Simulation nicht beobachtet werden konnte. Dies deutet darauf hin, dass die Reduzierung der Empfangsempfindlichkeit nicht einfach aufgrund der gleichzeitigen Kommunikation durch LAA und WLAN auftritt. Murata vermutete, dass die Ursache für das Rauschen der gleichzeitige Betrieb aller Schaltungen ist. Aus diesem Grund führte Murata eine Studie zum Rauschen im Innern eines tatsächlichen Bauteils durch.

Rauschen während der LTE-, LAA- und WLAN-Kommunikation

Ergebnisse der Messung von leitfähigem Rauschen auf Stromleitungen

Das Schaltplan-Diagramm (Abbildung 3 oben) zeigt die LTE-, LAA- und WLAN-Schaltungsblöcke. Messungen erfolgten auf dem Rauschen in der Stromleitung unter den auf der rechten Seite dargestellten Bedingungen für die Kommunikation. Die Ergebnisse zeigen, dass die Stromleitung des WLAN-Moduls den höchsten Pegel auf dem Spektrum hat und das gleiche Spektrum wurde für die Stromleitung des RFIC ermittelt. Dies entspricht der Bandbreite des WLAN-Kommunikationssignals, was darauf hinweist, dass das Rauschen, das vom WLAN stammt, zur Stromleitung übertragen wird und in die Schaltungsblöcke fließt.

Murata fasst die Ergebnisse zur Rauscherzeugung und zum leitfähigen Pfad wie folgt zusammen:
        •  Das Rauschen, das in der Stromleitung der HF-Schaltungen geprüft wurde, verfügt über eine Bandbreite von 80 MHz.
        •  Die Kommunikation erfolgt mit einer Bandbreite von 80 MHz für die WLAN-Signale und mit einer Bandbreite von 20 MHz für LTE und LAA.
        •  Gemäß den obengenannten Ergebnissen fließt das Rauschen aus dem WLAN-Modul und in die Stromleitung.
        •  Das Rauschen fließt in die HF-Schaltungen, wodurch das Signal-Rausch-Verhältnis (SRV) des empfangenden LNAs reduziert wird.
        •  Was schließlich dazu führt, dass die Empfangsempfindlichkeit reduziert wird.

Rauschunterdrückungsfilter

Nach Erkennen der Rauscherzeugung und des leitfähigen Pfades, setzte Murata einen Rauschfilter ein, um das Leiten des Rauschens zu reduzieren. Der Rauschfilter wurde in die Leistungseingangseinheit der HF-Schaltungen eingesetzt.

Rauschunterdrückungsmethode und Ergebnisse der Verbesserungen

Die BLF03VK-Baureihe von Murata für die Rauschdämpfung im 5-GHz-Band wurde für den Rauschfilter verwendet. Murata bestätigt, dass die Empfangsempfindlichkeit verbessert wird, wenn das leitfähige Rauschen reduziert wird.

In Umgebungen, in denen mehrere drahtlose Systeme verwendet werden, in denen sich die Frequenzen überlappen, kann das Rauschen von einer Kommunikationsschaltung zu einer anderen geleitet werden und sich nachteilig auf diese auswirken. Eine wirksame Gegenmaßnahme besteht darin, einen Rauschunterdrückungsfilter, der in der Lage ist, das spezifische Frequenzband zu entfernen, in der Stromleitung zu platzieren.

Rausch- und Hochgeschwindigkeits-Differential-Datenkommunikation

Probleme bei der Ausführung der HDMI-Kommunikation
Murata befasste sie auch mit Problemen, die auftreten, wenn die HDMI-Kommunikation in einer Heimumgebung ausgeführt wird. HDMI wird häufig als Video-Systemschnittstelle für den Anschluss von BD-Recordern, STBs und Fernseher verwendet. Es wird auch als Stick-PC-Schnittstelle für die Umwandlung von Fernseher in PCs verwendet. Im neuesten Standard wurde die HDMI Version 2.1 angekündigt, aber viele Benutzer verwenden wahrscheinlich 2.0 oder 1.4.

Die Tabelle (Abbildung 4 unten) zeigt die Ergebnisse, wenn ein Stick-PC in einen Fernseher eingesetzt und die WLAN-Empfangsempfindlichkeit während der HDMI-Kommunikation gemessen wird. Anhand der Tabelle wurde die Empfindlichkeit um etwas weniger als 4 dB reduziert und das Rauschen trat in Verbindung mit dem HDMI-Schaltungsbetrieb auf, was zu einer reduzierten Empfangsempfindlichkeit führt.

Tabelle zur WLAN-Empfangsempfindlichkeit während der HDMI-Kommunikation

Untersuchung von Signalen während der HDMI-Kommunikation

Die nächste Frage: Was geschieht während der HDMI-Kommunikation? Murata untersuchte den Signalzustand.

Dieses Diagramm des Stick-PCs (Abbildung 5 unten) zeigt eine Abbildung der Magnetfeldverteilung für die PCB-Oberfläche des zuvor erwähnten Stick-PCs. Der Stick-PC besteht aus einem HDMI-Steckverbinder, einer drahtlosen Schaltung und einem Steuer-IC. Da er in einer Größe von ca. 15 cm x 8 cm untergebracht ist, befinden sich alle Schaltungen in unmittelbarer Nähe.

Demzufolge ist bei einem Rauschen im Bauteil, das Rauschen mit der Antenne und anderen HF-Schaltungen gekoppelt und stört die drahtlose Kommunikation leicht. In diesem Stick-PC ist ersichtlich, dass das Rauschen über die gesamte PCB verteilt ist, daher hat Murata eine Folie, die elektromagnetische Welle absorbiert auf die gesamte PCB angebracht und überprüft, ob sich der Rauschpegel, der mit der Antenne gekoppelt ist, geändert hat.

Der Rauschpegel sank um ca. 10 dB, was darauf hinweist, dass das Rauschen von der PCB mit der Antenne gekoppelt ist.

Mögliche wirksame Abhilfemaßnahmen

Wenn, wie von Murata vermutet, Rauschen beim Betrieb von HDMI erzeugt wurde, wird darauf geschlossen, dass das Rauschen in die Signalleitung geleitet wurde.

Murata entschied sich für den Versuch, Rauschdämpfungsfilter für HDMI-Signal- und Taktleitungen zu verwenden. Zwei Arten von Filtern wurden verwendet – Gleichtakt-Drosselspulen und Pi-Tiefpassfilter (LPF). Eine Gleichtakt-Drosselspule ist ein Filter, der nur zum Entfernen von Gleichtaktrauschen wirksam ist, ohne die Signalwellenform der Differentialübertragungsleitung zu beeinträchtigen.

Obwohl keine Auswirkungen mit der Gleichtakt-Drosselspule beobachtet wurden, war der Pi-LPF wirksam bei der Reduzierung des Rauschens. Dies deutet darauf hin, dass das Differentialmodus-Rauschen vom Stick-PC stammt. (Hinweis: Die Gleichtaktrauschkomponente kann für einige Zielbauteile dominierend sein, d. h. also, dass eine Gleichtakt-Drosselspule in einigen Fällen möglicherweise wirksam ist.)

Auswahl der Filter

Da das Differentialmodus-Rauschen dominiert, musste ein Filter von Murata ausgewählt werden, der das Rauschen reduziert und gleichzeitig keine Auswirkungen auf das Signal hat.

Aus diesem Grund hat Murata eine neue BLF03VK-Produkt-Baureihe entwickelt, die eine wirksame Rauschdämpfung im 5-GHz-Band bietet. Murata wählte ein Element mit diesen Eigenschaften aus dieser Produkt-Baureihe aus.

Ferritperlen für ein 5-GHz-Band
Merkmale: Anstatt die Impedanz von niedrigen Frequenzen, wie z. B. herkömmlichen Ferritperlen zu erhöhen, wurde das Material und die interne Struktur so ausgelegt, dass sich die Impedanz bei 5 GHz erhöht.

Auf der Übersicht der ausgewählten Filter (Abbildung 6 unten) wurden nur Filter für das 5-GHz-Band untersucht, das Produktangebot von Murata enthält jedoch auch Filter für 2,4-GHz- und 700-MHz-Bänder.

Auswirkungen von Abhilfemaßnahmen mithilfe von Rauschfiltern

Das Diagramm (Abbildung 7 unten) zeigt die Ergebnisse bei Austausch der Pi-Filter durch den BLF03VK und die Auswirkungen der Rauschdämpfung. Dabei wurde festgestellt, dass die Hochfrequenz-Komponente des Taktgebers um ca. 10 dB reduziert wurde.

Der gelbe Bereich zeigt die Kanäle an, die von WLAN (11ac) verwendet werden und das Rauschen wird in den Kanälen 36 und 124 angezeigt. Dies führte zu einer besonders starken Reduzierung der Empfangsempfindlichkeit in denjenigen Kanälen, in denen ein Rauschen festgestellt wurde. Aber durch die Rauschunterdrückung mit dem neuen Rauschfilter wurde das Schmalband-Rauschen vom HDMI-Taktgeber reduziert, um eine höhere Empfangsempfindlichkeit zu ermöglichen.

Prüfung der Signalqualität

Da der Filter in die HDMI-Daten- und Taktleitungen eingesetzt wurde, wurde die Signalqualität geprüft. (Abbildung 8, unten)

HDMI 1.4 Signalwellenform
Die Ergebnisse für den durchgeführten HDMI 1.4 Vorkonformitätstest zeigen, dass der Test bestanden wurde, ohne die Augenmaske zu berühren, selbst wenn ein Filter verwendet wurde. Dies ist teilweise auf die geringe Impedanz im Niederfrequenzband der BLF03VK-Baureihe zurückzuführen. Es wird erwartet, dass der Bedarf für Filter zunimmt, bei denen sich die Impedanz nur in spezifischen Bändern erhöht und das Rauschen zur Sicherstellung der Signalqualität beseitigt wird. (Hinweis: Wenn der Filter tatsächlich verwendet wird, variiert je nach IC und fester Umgebung die Wellenform, so dass eine Überprüfung erforderlich ist.)

Fazit

Murata stellte zwei Beispiele von Abhilfemaßnahmen zur Reduzierung des Rauschens im 5-GHz-Band vor.

Da die 5-GHz-Frequenz bislang noch nicht eingesetzt wurde, waren Benutzer möglicherweise der Ansicht, dass sehr wahrscheinlich keine Rauschprobleme auftreten würden. Als Murata das Rauschen jedoch tatsächlich untersuchte, stellte sich heraus, dass das Rauschen sowohl in den Signal- als auch Leistungssystemen auftritt.

Auch wenn das 5-GHz-Band für die Bereitstellung einer stabilen Hochgeschwindigkeits-Kommunikation ausgewählt wird, kann eine maximale Leistungsfähigkeit nicht erreicht werden, wenn ein Rauschen vorhanden ist. Die Rauschunterdrückungsprodukte von Murata können verwendet werden, um eine rauscharme Umgebung zu schaffen, die eine stabile Kommunikationsqualität gewährleistet.

Community-Forum

Das Community-Forum von Murata bietet durchsuchbare Inhalte mit verschiedenen Diskussionsthemen, beliebten Blogs und Artikeln. Das Support-Team für einen breiten Markt von Murata führt regelmäßige Überprüfungen durch, um offene Fragen zu besprechen, so dass Anfragen zeitnah beantwortet werden können. Der Inhalt des Forums ist für die Öffentlichkeit frei zugänglich. Benutzer müssen sich jedoch anmelden, um Fragen oder Antworten zu posten. Die Anmeldung ist kostenlos.