Murata 5GHz 대역에서의 잡음 문제/잡음 억제

5GHz 대역의 무선 통신

Murata는 여러 무선 통신이 이루어지는 환경에서 발생하는 잡음 문제뿐 아니라 유선 인터페이스를 사용하여 실내에서 고속 데이터 통신을 수행할 때 발생하는 잡음 문제에 대한 사례를 조사했습니다.

더 높은 구동 주파수는 실내의 개별 전자 장치에 의해 지원되고 있으며 고주파수에서 잡음 발생에 대한 우려가 있습니다. 또한 무선 LAN 5GHz 대역과 LTE 5GHz 대역이 동시에 사용되는 경우도 있습니다.

다음은 이러한 상황이 발생할 때 발생할 것으로 예상되는 문제입니다.
•   장치가 서로 연결되어 있을 때 무선 LAN에 연결하기 어려운 문제
•   여러 통신 시스템을 사용할 때 다운로드가 느려지는 문제

Murata는 잡음이 발생하는 몇 가지 특정 사례를 조사했습니다.

잡음 및 다중 무선 통신

LAA/LTE-U 소개
우선, Murata는 다중 무선 통신에 대한 사례를 제시합니다. Murata는 5GHz 대역을 사용하는 무선 통신을 위한 Wi-Fi® 에 익숙하지만, 5GHz 대역의 사용 또한 스마트폰에 사용되는 LTE 시스템을 위해 결정되었습니다. 5GHz 대역을 사용하는 LTE는 LAA 또는 LTE-U라 부르며 기존 LTE 및 캐리어 집계를 통해 대용량 통신을 가능하게 하는 기술입니다. 이 작업이 수행되면 Wi-Fi와 동시에 사용할 수도 있습니다. 즉, LTE, LAA, Wi-Fi의 세 시스템에 대한 회로가 모두 실행됩니다. Murata는 이러한 상황에서 어떠한 문제 없이도 무선 통신을 수행할 수 있는지 살펴봅니다.

수신 감도 및 다중 통신

수신 감도 다이어그램(아래 그림 1)은 Wi-Fi 통신이 이미 실행되고 있는 동안 LAA 통신이 시작될 때 LAA 수신 감도에 대한 측정 결과를 보여줍니다. Murata는 Wi-Fi 통신을 켤 때 수신 감도가 감소되었음을 판별했습니다.

수신 감도가 감소(아래 그림 2)할 때 기지국 또는 액세스 포인트에서 발생하는 신호 강도가 약할 경우 통신을 적절히 수행할 수 없습니다. 즉, 데이터 전송 속도가 느려져 일부 사용자에게 스트레스를 줄 수 있습니다. 이러한 문제는 Wi-Fi와 LAA가 동일한 주파수를 사용하여 통신하기 때문에 발생하며, 이는 5GHz 대역의 신호가 서로 간섭하거나 무선 회로가 실행 중일 때 발생하는 잡음의 영향 때문입니다. 이전에는 동시에 작동하는 무선 회로가 없었습니다.

수신 감도 감소의 원인

수신 감도 감소의 원인을 확인하기 위해 Murata는 시스템 시뮬레이션을 사용하여 검사를 수행했습니다. 이 시뮬레이션에서 각 블록이 이상적인 상태로 작동하므로 잡음이 발생하지 않는 환경에서 통신 특성을 얻을 수 있습니다.

결과에 따르면 실제 장치에서 수신 감도가 감소했지만 시뮬레이션에서 이러한 변화가 관찰되지 않았습니다. 이는 LAA 및 Wi-Fi의 동시 통신 덕분에 수신 감도가 감소하지 않음을 나타냅니다. Murata는 각 회로가 실행될 때 발생하는 잡음 원인을 추측했으므로 Murata는 실제 장치의 내부에 대한 잡음 연구를 실시했습니다.

LTE, LAA 및 Wi-Fi 통신 중에 발생하는 잡음

전력선에 대한 전도성 잡음 측정 결과

계통도(위 그림 3)는 LTE, LAA 및 Wi-Fi 회로 블록을 보여줍니다. 우측에 표시된 조건에서 통신이 수행될 때 전력선의 잡음으로 측정이 수행되었습니다. 결과에 따르면 Wi-Fi 모듈의 전력선은 스펙트럼에서 가장 높은 수준을 가지며, 동일한 스펙트럼이 RFIC의 전력선에서 관찰되었습니다. 이는 Wi-Fi 통신 신호의 대역폭과 일치하며, Wi-Fi에서 발생하는 잡음이 전력선으로 전송되어 회로 블록으로 흐르고 있음을 나타냅니다.

Murata는 잡음 발생 및 전도성 경로에 대한 포인트를 요약합니다.
•   RF 회로의 전력선에서 확인된 잡음 대역폭은 80MHz입니다.
•   통신은 Wi-Fi 신호의 경우 80MHz의 대역폭에서, LTE 및 LAA의 경우 20MHz의 대역폭에서 수행됩니다.
•   위의 지점에서 잡음이 Wi-Fi 모듈에서 전력선으로 흘러 들어갑니다.
•   잡음은 RF 회로로 흐르며 수신 LNA의 신호대 잡음비(S/N)를 줄입니다.
•   궁극적으로, 이로 인해 수신 감도가 줄어듭니다.

잡음 억제 필터

Murata는 잡음 생성 및 전도성 경로를 발견했기 때문에 잡음 전도를 줄이기 위해 잡음 필터를 삽입했습니다. 잡음 필터는 RF 회로의 전원 입력 장치에 삽입되었습니다.

잡음 억제 방법 및 개선 결과

5GHz 대역의 잡음 감소를 위한 Murata BRF03VK 시리즈는 잡음 필터에 사용되었습니다. Murata는 전도성 잡음이 감소할 때 수신 감도가 개선되었음을 확인합니다.

주파수가 중첩되는 여러 무선 시스템을 사용하는 환경에서는 한 통신 회로에서 다른 통신 회로로 잡음을 전달하고 잡음에 부정적인 영향을 미칠 수 있습니다. 효과적인 대책은 특정 주파수 대역을 전력선에 제거할 수 있는 잡음 제거 필터를 두는 것입니다.

잡음 및 고속 차동 데이터 통신

HDMI 통신을 수행할 때 발생하는 문제
Murata는 가정 환경에서 HDMI 통신을 수행할 때 발생하는 문제도 제기했습니다. HDMI는 BD 판독기, STB 및 TV를 연결하기 위한 비디오 시스템 인터페이스로 널리 사용됩니다. TV를 PC로 변환하는 스틱 PC 인터페이스로도 사용됩니다. 최신 표준에서 HDMI 버전 2.1이 발표되었지만, 많은 사용자들이 2.0 또는 1.4를 사용하고 있는 것으로 보입니다.

테이블(아래 그림 4)은 스틱 PC를 TV에 삽입하고 Wi-Fi 수신 감도를 HDMI 통신 중에 측정한 결과를 보여줍니다. 표에 제시되어 있는 바와 같이 감도가 4dB 미만으로 약간 감소했으며 HDMI 회로 작동과 함께 잡음이 발생하여 수신 감도가 감소했습니다.

HDMI 통신 중 Wi-Fi 수신 감도표

HDMI 통신 중 신호 연구

다음 질문: HDMI 통신 중에 무슨 일이 일어나고 있는가? Murata는 신호 상태를 조사했습니다.

이 스틱 PC 다이어그램(아래 그림 5)은 앞에서 언급한 스틱 PC의 PCB 표면에 대한 자기장 분포의 매핑을 보여줍니다. 이 장치는 HDMI 커넥터, 무선 회로 및 제어 IC로 구성되어 있습니다. 약 15cm x 8cm 크기로 포장되어 있으므로 모든 회로가 근접해 있습니다.

따라서 장치 내부에서 잡음이 발생하면 안테나 및 기타 RF 회로에 연결되어 무선 통신을 쉽게 방해할 수 있습니다. 이 스틱 PC에서는 잡음이 전체 PCB에 분산된 것으로 보이므로 Murata는 전자파 흡수 시트를 전체 PCB에 부착하고 안테나에 연결된 잡음 레벨이 변경되었는지 확인했습니다.

잡음 레벨은 약 10dB로 떨어졌는데, 이는 잡음이 PCB에서 안테나에 연결되었음을 나타냅니다.

효과적인 치료법

HDMI를 실행할 때 Murata가 추측한 잡음이 발생하면서 신호라인에서 잡음이 발생하기도 했습니다.

Murata는 HDMI 신호 및 클록 라인을 위한 잡음 감소 필터를 사용해 보기로 결정했습니다. 공통 모드 초크 코일 및 Pi LPF(저역 통과 필터)의 두 가지 유형의 필터가 사용되었습니다. 공통 모드 초크 코일은 차동 전송 라인의 신호 파형에 영향을 주지 않고 공통 모드 잡음만 제거하는데 효과적인 필터입니다.

공통 모드 초크 코일을 사용하여 효과가 관찰되지 않았지만, Pi LPF는 잡음 감소에 효과적이 었습니다. 이는 스틱 PC에서 차동 모드 잡음이 전도되고 있음을 나타냅니다(참고: 일부 대상 장치의 경우 공통 모드 잡음 구성 요소가 지배적일 수 있으므로 공통 모드 초크 코일이 일부 경우에 효과적일 수 있습니다).

필터 선택

차동 모드 잡음이 지배적이므로 Murata는 잡음을 줄이면서도 신호에 영향을 주지 않는 필터를 선택해야 했습니다.

따라서 Murata는 5GHz 대역에서 효과적인 잡음 감소를 제공하는 새로운 BRF03VK 제품 시리즈를 개발했습니다. Murata는 이 제품 시리즈의 이러한 특성을 가진 품목을 선택했습니다.

5GHz 대역용 페라이트 비드
특징: 기존 페라이트 비드와 같은 저주파에서 증가하는 임피던스 대신, 재료 및 내부 구조가 설계되어 임피던스가 5GHz에서 증가합니다.

선택 필터 개요(아래 그림 6)에서 5GHz 대역 전용 필터를 검토할 수 있지만 Murata의 제품 라인업에는 2.4GHz 및 700MHz 대역용 필터도 포함되어 있습니다.

잡음 필터를 사용한 치료 효과

그림(아래 그림 7)은 Pi 필터를 BRF03VK로 교체하고 잡음 감소 효과를 확인한 결과를 보여줍니다. 클록의 고주파 구성 요소가 약 10dB까지 감소했음이 확인되었습니다.

노란색으로 채워진 영역은 Wi-Fi(11ac)가 사용하는 채널을 나타내며, 채널 36과 124에서 잡음을 볼 수 있습니다. 그 결과 잡음이 발생한 채널에서 수신 감도가 특히 크게 감소했습니다. 그러나 새로운 잡음 필터를 사용하여 잡음 억제 기능을 적용함으로써 HDMI 클록에서 발생하는 협대역 잡음은 더 높은 수신 감도를 구현하기 위해 감소되었습니다.

신호 품질 점검

필터가 HDMI 데이터 및 클록 라인에 삽입되었기 때문에 신호 품질을 검사했습니다. (아래 그림 8)

HDMI 1.4 신호 파형
수행된 HDMI 1.4 사전 적합성 테스트의 결과를 통해 필터를 사용하더라도 아이 마스크를 치지 않고 테스트를 통과했음을 알 수 있습니다. 이는 부분적으로 BRF03VK 시리즈의 저주파 대역에서 작은 임피던스 덕분입니다. 임피던스가 특정 대역에서만 증가하고 신호 품질을 보장하기 위해 잡음이 제거되는 필터에 대한 필요성이 증가할 것으로 예상됩니다. (참고: 필터를 실제로 사용할 때의 파형은 IC 및 설정 환경에 따라 다르므로 검증이 필요합니다.)

요약

Murata는 5GHz 대역의 잡음을 줄이기 위한 두 가지 구제 방안을 제시했습니다.

이전에는 5GHz 주파수가 일반적으로 사용되지 않았기 때문에 사용자는 잡음 문제가 발생하지 않을 것이라고 생각했을 수 있습니다. 하지만 Murata가 실제로 잡음을 검사했을 때, 신호 및 전력 시스템에서 잡음이 발생하고 있음을 알 수 있었습니다.

안정적인 고속 통신을 제공하기 위해 5GHz 대역을 선택하더라도 잡음이 있으면 최대 성능을 얻을 수 없습니다. Murata의 잡음 억제 제품을 사용하여 저잡음 환경을 만들어 안정적인 통신 품질을 보장할 수 있습니다.

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