Murata 5Gでのノイズ発生と抑制対策

5G通信に関する既存のワイヤレス通信の効果は不明です。

予想されるノイズ問題

5G通信環境の排他的な使用は期待されておらず、既存の通信環境への追加が期待されています。これらの環境では、既存のワイヤレス通信によってデバイスの内部で発生するスプリアス放射が5Gワイヤレス回路に接続し、通信干渉を引き起こすことがあります。

実際の5Gデバイスが市場に登場し始めていますが、実際のデバイスを使用した評価の実施に時間がかかるため、Murataは5G通信回路にミリ波回路（下の図1）を追加したシステムを念頭に置いて実施しました。Murataは、外部ノイズが動作に必要な信号線に接続する際の影響を評価するために、回路に設置されている周波数逓倍器とミキサー試験ボードを使用しました。この研究では、スプリアス放射は通信信号以外の過剰な信号として定義されています。これには、他の通信からの通信信号と高次の高調波があります。

Murataは、周波数逓倍器とミキサーに注目し、外部ノイズが信号線に接続するタイミングを判断しました。

信号の研究

外部ノイズと結合されたミリ波回路を見定めるため、（下の）図2に示す評価システムを使用してこの現象のレビューを行いました。外部ノイズは、基板のLO方向の方向性結合器と結合しています。この場合、LOとIF信号の結合にミキサーを使用します。20GHz周波数/15dBm電力をLO信号線に、3.5GHz周波数/0dBm電力をIF信号線に印加します。19.8GHzおよび19.5GHz周波数のLO信号とよく似た周波数の外部ノイズが0dBmの電力で印加されています。

評価システム
外部ノイズがLO信号に接続された際の影響の評価を実施しました。

評価の結果

Murataは、19.5GHzおよび19.8GHzで外部ノイズが接続されていると、ミキサーからの予想された23.5GHz出力に加えて、LO信号周波数とノイズ周波数の差に対するスプリアス放射が生成されることを発見しました（下の）図3。同様に、周波数逓倍器でのスプリアス放射の発生も確認しました。

評価結果（外部ノイズ: 19.8GHz、19.5GHz）
外部ノイズへの接続によってスプリアス放射が引き起されました。
注: Murataは、これらのスプリアス放射が実際に通信に影響を与えるかどうかの評価を実施するために、Keysight社の通信シミュレータであるSystemVue®を使用して検証を実施しました。

生成された信号の影響の評価

SystemVueを使用したシミュレーションでは、（下の）図4に示すように実モデルの簡略版を活用しました。

トランスミッタ側
5G通信システムの変調信号は、トランスミッタ側のBB-ICから出力されます。これは、トランスミッタ側のRF-ICのLO信号と組み合わされており、ミリ波周波数にアップ変換します。続いて5G通信信号を出力します。

レシーバ側
送信された信号は、レシーバ側EF-ECのLO信号と組み合わされ、ダウン変換されます。BB-ICでの信号復調を実施し、BER（ビット誤差率）を計算します。

この評価システムのLO信号線に外部ノイズを接続し、その影響の評価を実施しました。ノイズを接続した前と後の受信感度の比較を実施しました。ノイズ接続前の受信感度は-96.7dbm、ノイズ接続後の受信感度は-89.5dBmであり、7.2dBの受信感度の降下を示しています。

この研究では、95％のBERでの受信電力を受信感度として定義しました。この結果、ミキサーのLO信号線への接続ノイズと周波数逓倍器が通信に悪影響を与えていることが示されました。

評価システム（SystemVueシミュレーション）
外部ノイズをLO信号線に接続し、受信感度（BER 95%の受信電力）の評価を実施しました。

SystemVueシミュレーション評価の結果

Murataは、ノイズによる干渉が発生するメカニズム要約しました（下の図5）。LO信号線に接続されたノイズが周波数逓倍器に入り、スプリアス放射が発生します。これらのスプリアス放射はミキサーでIF信号と組み合わされ、5G信号と周波数帯域が重畳されます。これによって誤った信号がアンテナから送信され、受信側の通信エラーになります。

この理由から、ノイズの干渉の防止を目的にLO信号線へのノイズの侵入を防止する対策が必要になります。

SystemVue評価の結果

ノイズ干渉発生メカニズム

1. 外部ノイズをLO信号線に接続します。
2. ノイズが周波数逓倍器に入り、スプリアス放射が発生します。
3. IF信号がミキサーに入ります。
4. これは、ミキサーでIF信号と組み合わされ、5G信号とスペクトルが重畳されます。

結果: 誤った信号がアンテナによって送信され、受信側で通信エラーが発生します。

LO信号線へのノイズの伝達を防止するための対策が必要です。

ノイズ抑制の方法

これまでの研究からMurataは、LO信号線へのノイズの流入を防ぐことでノイズを抑制することができるかもしれない、と考えました。特に、この方法では、ノイズ周波数帯域を除去するためのフィルタは、ミリ波を生成するICのLO信号入力線に設置します（下の図7）。フィルタにはインダクタとコンデンサが組み合わされており、これらの素子はターゲットノイズ周波数に基づいてセットする必要があります。

結論

5Gワイヤレス回路では、LO信号線への高周波信号の流入によって、周波数逓倍器とミキサーにスプリアス放射が発生します。これによって信号品質が低下し、潜在的な通信エラーの発生につながります。

このノイズを抑制するには、LO信号線へのノイズの流入を防ぐフィルタを設置する必要があります。LO信号周波数とノイズ周波数を考慮して、このフィルタに適切な定数を選択する必要があります。

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