5G通信环境下的噪声状况和对策

grand

1. 5G通信中的噪声环境调查
5 [3 h. k3 j% j6 n$ M5G通信已经推出部分服务，作为新一代通信备受期待。而由于它将与LTE及Wi-Fi等现有通信手段并存，因此可以预测，噪声问题将会变得更为复杂。另外，在5G设备还未完全上市的情况下，我们对5G通信中的噪声环境进行了调查，并就此所需采取的降噪措施展开了研究。
5G令人担忧的通信问题
未发现5G对现有无线通信的通信会造成影响。
可能会出现的噪声问题
5G通信环境很少会单独使用，很可能会加入到现有的通信环境中。在这种情况下，现有无线通信导致的设备内部产生的伪信号可能就会耦合到5G无线电路中，从而造成通信故障。
* o" i$ m& r' Q7 K$ i) x) j
! T% T( X" \) q2 R* P3 R/ ]0 l% m' o虽然目前已有实际机型推出上市，但使用实际机型进行评估还需要时间，因此我们设想在5G通信电路中增加如图所示的毫米波电路，使用搭载在该电路上的倍频器和混频器的评估电路板，对外来噪声耦合到工作所需信号线时的影响进行了评估。此外，这里所指的伪信号定义为除自身通信信号之外的多余信号，包括其他通信中的通信信号及高阶谐波。
+ r; M( E( z& s" _着重关注倍频器和混频器，明确信号线中耦合外来噪声时的影响。
5 B3 ^. v3 f$ y( `  P2. 毫米波电路中耦合外来噪声时的信号调查
, j$ a* [8 }6 Z+ `/ W: E为确认极高频电路与外来噪声耦合时的情况，使用了如下图所示的评估系统进行了评估。在LO信号和IF信号耦合的混频器基板的LO侧使用定向耦合器耦合外来噪声。向LO信号线和IF信号线分别输入20GHz的频率/15dBm的功率，以及3.5GHz的频率/0dBm的功率，外来噪声则输入了接近LO信号频率的19.8GHz和19.5GHz的频率，以及0dBm的功率。
) y& G  w8 E5 I" _1 {评价系统
! R) X- a: x8 X: n对LO信号中耦合外来噪声时的影响进行了评估。
5 p/ x; }- Y$ u! v3 l另一方面，当19.5GHz和19.8GHz的外来噪声耦合时，发现除了原本从混频器输出的23.5GHz外，还产生了造成LO信号频率和噪声频率差异的伪信号。
  ~+ d% J6 X5 p同样，在倍频器中也发现有伪信号产生。
9 R) O( }# X. y1 B5 L3 D评估结果 (外来噪音：19.8GHz、19.5GHz)
由于外来噪声耦合而有伪信号产生。
※ 为评估该伪信号是否实际会对通信造成影响，使用是德公司的通信模拟器SystemVue®进行了确认。
( H1 V1 @  j- P0 l4 |- W5 K9 {6 {3. 产生的信号对通信特性的影响评估
4 e( [- I) S! aSystemVue®模拟简化了实际模型，具体如下：
# g7 v6 S' y) f发射端
) H  }( c1 g5 s0 ^从发射端的BB-IC输出符合5G通信方式的调制信号，在发射端的RF-IC通过与LO信号合成，升频至转换成毫米波频率，输出5G通信信号。
- |8 Y, p: ?- R" M3 y$ U9 f  z. K% _5 J接收端
; P" }  ^8 d. Q7 R4 R发射信号在接收端的RF-IC与LO信号合成，降频转换后，在BB-IC进行信号解调，计算出BER(Bit Error Rate)。
使外来噪声耦合到该评估系统中的LO信号线，对造成的影响做出评估。
0 c6 ]5 G4 w  V9 k; Y评价系统
使外来噪声耦合到LO信号线，对接收灵敏度（BER95%时的接收功率）做出评估。
) K) _7 I+ ^# \" H; ~) P' ~- G经过对噪声耦合前后的接收灵敏度进行比较，结果发现噪声耦合前的接收灵敏度为-96.7dBm，噪声耦合后的接收灵敏度为-89.5dBm，下降了7.2dB。
此处，BER将95%的接收功率定义为接收灵敏度。由此可见，在混频器和倍频器中，如果噪声耦合到LO信号线中，就会对通信产生影响。
评估结果
' g3 A/ \! v( r1 }3 C8 K% C$ s下面对噪声故障的发生机制做个总结。耦合到LO信号线的噪声被输入到倍频器，产生伪信号，该伪信号通过混频器与IF信号合成，5G信号和频段重叠。由此，天线就会发射错误信号，在接收端发生通信错误。
- [: g: y) Q1 H因此，为防止发生噪声故障，就需要采取措施防止噪声进入LO信号线。
噪声故障的发生机制
①外来噪声被耦合到LO信号线。。
②噪声被输入到倍频器，产生伪信号产生
! K/ e! M# V4 D  p' c. w③IF信号被输出到混频器。
④通信混频器和IF信号合成，5G信号和伪信号重叠。
结果
天线发射错误信号，在接收端发生通信错误。
% a7 y0 I$ f2 f( P8 [& x需要避免噪声传导到LO信号线。
应对措施
1 z, L0 n; f( b根据之前的调查发现，防止噪声流入LO信号线将有助于改善这一问题。
7 C6 n. c) z; G3 o2 \7 I7 N6 x具体来说，就是在毫米波生成IC的LO信号线中安装去除噪声频率的滤波器。滤波器由组合电感器和电容器构成，这些元件需要根据对象噪声频率进行设置。
& D: v/ U% U9 K% fLO信号线
  t  \: K" @1 b& k0 ~: Y7 i. B8 d  iLO信号频率为5GHz、流入噪声信号为5.2GHz频段WLAN时
1 S+ T5 ]2 B) H' gLO信号频率为3.1GHz、噪声流入为3.3GHzSub-6时
LO信号频率为4.4GHz、噪声流入为4.2GHzSub-6时
4. 总结
2 [! [  T- g( i/ K. `8 w+ K) |. z* v在5G无线电路中，由于LO信号线中流入高频信号，就会在倍频器和混频器产生伪信号，从而会造成信号质量下降，进而发生通信错误。
为应对这个问题，需要安装防止噪声流入LO信号线的滤波器。考虑到LO信号频率及噪声频率，需要选择合理常数的滤波器。

ounce

为确认极高频电路与外来噪声耦合时的情况。在LO信号和IF信号耦合的混频器基板的LO侧使用定向耦合器耦合外来噪声。向LO信号线和IF信号线分别输入20GHz的频率/15dBm的功率，以及3.5GHz的频率/0dBm的功率，外来噪声则输入了接近LO信号频率的19.8GHz和19.5GHz的频率，以及0dBm的功率。