Murata 5G에서의 잡음 발생 및 억제 조치

5G 통신에 대한 기존의 무선 통신의 영향은 아직 명확하지 않습니다.

예상 잡음 문제

5G 통신 환경은 전적으로 사용되는 것이 아니라 기존의 통신 환경에 추가될 것으로 예상됩니다. 이러한 환경에서, 기존의 무선 통신으로 인해 장치 내부에서 생성된 스퓨리어스 방출이 5G 무선 회로에 연결되어 통신 간섭을 일으킬 수 있습니다.

실제 5G 장치가 시장에 출시되기 시작했지만 실제 장치를 사용하여 평가하는데 시간이 걸리기 때문에 Murata는 밀리미터파 회로(아래 그림 1)가 5G 통신 회로에 추가된 시스템을 구상했습니다. Murata는 외부 잡음이 작동에 필요한 신호 라인에 연결될 때 효과를 평가하기 위해 회로에 설치된 주파수 체배기 및 혼합기 테스트 보드를 사용했습니다. 이 연구에서 스퓨리어스 방출은 통신 신호 자체 이외의 초과 신호로 정의됩니다. 여기에는 다른 통신 및 고차 고조파 통신 신호가 포함됩니다.

Murata는 주파수 체배기와 혼합기에 초점을 맞추어 외부 잡음을 신호 라인에 연결하는 시기를 판단했습니다.

신호 연구

외부 잡음과 결합된 밀리미터파 회로의 상황을 파악하기 위해 그림 2(아래)에 표시된 평가 시스템을 사용하여 이러한 현상을 검토했습니다. 외부 잡음을 기판의 LO 방향에 있는 지향성 커플러와 결합하였으며 혼합기는 LO 및 IF 신호를 결합하기 위해 사용했습니다. 20GHz 주파수/15dBm 전력이 LO 신로 라인으로 유입되었으며 3.5GHz 주파수/0dBm 전력이 IF 신호 라인으로 유입되었습니다. 19.8GHz 및 19.5GHz 주파수에서 LO 신호와 유사한 주파수를 갖는 외부 잡음이 0dBm 전력으로 유입되었습니다.

평가 시스템
외부 잡음이 LO 신호에 연결되었을 때의 영향을 평가했습니다.

평가 결과

19.5GHz 및 19.8GHz의 외부 잡음이 연결되었을 때 Murata는 혼합기에서 예상되는 23.5GHz 출력 외에도 LO 신호 주파수와 잡음 주파수 간의 차이에 대한 스퓨리어스 방출이 생성된다는 것을 발견했습니다(아래 그림 3). 마찬가지로, 주파수 체배기에서도 스퓨리어스 방출이 발생됨을 확인했습니다.

평가 결과(외부 잡음: 19.8GHz, 19.5GHz)
외부 잡음 연결로 인해 스퓨리어스 방출이 초래되었습니다.
참고: Murata는이러한 스퓨리어스 방출이 통신에 실제로 영향을 미치는지 여부를 평가하기 위해 Keysight가 제공한 SystemVue® 통신 시뮬레이터를 사용하여 결과를 확인했습니다.

생성된 신호의 효과 평가

SystemVue 시뮬레이션은 그림 4(아래)와 같이 간소화된 실제 모델을 활용했습니다.

송신기 측
5G 통신 시스템의 변조 신호는 송신기 측의 BB-IC에서 출력됩니다. 이는 송신기 측 RF-IC의 LO 신호와 결합되어 밀리미터파 주파수로 상향 변환됩니다. 그런 다음, 5G 통신 신호가 출력됩니다.

수신기 측
전송된 신호는 수신기 측 RF-IC의 LO 신호와 결합되어 하향 변환됩니다. BB-IC에서 신호 복조가 수행되고 BER(비트 오류율)가 계산됩니다. 

이 평가 시스템의 LO 신호 라인에 외부 잡음을 연결하여 그 효과를 평가했습니다.잡음을 연결하기 전후에 수신 감도를 비교했습니다. 잡음 연결 전 수신 감도는 -96.7dBm이고 잡음 연결 후 수신 감도는 -89.5dBm입니다. 이는 수신 감도가 7.2dB 떨어진 것을 나타냅니다.

본 연구에서 95%의 BER 수신 전력을 수신 감도로 정의했습니다. 결과적으로, 이를 통해 혼합기의 LO 신호 라인에 잡음을 연결하면 주파수 체배기가 통신에 부정적인 영향을 미친다는 사실을 알 수 있습니다.

평가 시스템(SystemVue 시뮬레이션)
외부 잡음을 LO 신호 라인에 연결하여 수신 감도(BER 95%에서 수신 전력)를 평가했습니다.

SystemVue 시뮬레이션 평가 결과

Murata는 잡음으로 인해 간섭이 발생한 메커니즘을 요약했습니다(아래 그림 5). LO 신호 라인에 연결된 잡음이 주파수 체배기에 유입되고 스퓨리어스 방출이 발생합니다. 이러한 스퓨리어스 방출이 혼합기의 IF 신호와 결합되었고 5G 신호 및 주파수 대역이 중첩되었습니다. 이로 인해 안테나에서 잘못된 신호가 전송되므로 수신기 측에서 통신 오류가 발생합니다.

이러한 이유로, 잡음 간섭을 방지하기 위해서는 LO 신호 라인으로 잡음이 유입되는 것을 방지하기 위한 조치가 필요합니다.

SystemVue 평가 결과

잡음 간섭 생성 메커니즘

1. 외부 잡음이 LO 신호 라인에 연결됩니다.
2. 잡음이 주파수 체배기에 유입되고 스퓨리어스 방출이 발생합니다.
3. IF 신호가 혼합기로 유입됩니다.
4. 이는 혼합기에서 IF 신호와 결합되고 5G 신호 및 스펙트럼이 중첩됩니다.

결과: 부적절한 신호가 안테나에서 전송되어 수신기 측에서 통신 오류가 발생합니다.

LO 신호 라인에 잡음이 전송되는 것을 방지하기 위해서는 조치가 필요합니다.

잡음 억제 방법

Murata는 이전 연구에서 LO 신호 라인에 잡음이 유입되는 것을 방지함으로써 잡음을 잡음 억제할 수 있었습니다. 구체적으로, 이 방법에서는 밀리미터파를 생성하는 IC의 LO 신호 입력 라인에 잡음 주파수 대역을 제거하기 위해 필터를 설치했습니다(아래 그림 7). 이 필터는 인덕터와 커패시터를 결합하고 있으며 대상 잡음 주파수를 기반으로 이러한 소자를 설정해야 합니다.

결론

5G 무선 회로에서 고주파 신호가 LO 신호 라인으로 유입되면 주파수 체배기와 혼합기에서 스퓨리어스 방출이 발생합니다. 이러한 요인으로 인해 신호 품질이 낮아져 통신 오류가 발생할 가능성이 있습니다.

이러한 잡음을 억제하려면 LO 신호 라인에 잡음 유입을 방지하는 필터를 설치해야 합니다. LO 신호 주파수 및 잡음 주파수를 고려하여 이 필터에 적합한 상수를 선택해야 합니다.

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