Murata 5GHz帯域でのノイズ問題/ノイズ抑制

5GHz帯域でのワイヤレス通信

Murataは、複数のワイヤレス通信の環境で発生するノイズ問題の事例だけでなく、有線インターフェイスを使用して高速データ通信が屋内で行われた場合に発生するノイズ問題の事例も調査しました。

さらなる高周波数での駆動は、屋内の個々の電子機器によってサポートされていますが、高周波数でのノイズの発生に関する懸念もあります。ワイヤレスLAN 5GHz帯域とLTE 5GHz帯域が同時に使用されているケースもあります。

これらは、これが起こった場合に発生すると予想される問題の一部です:
        •  デバイスが相互に接続されている場合にワイヤレスLANに接続することが難しいという問題
        •  複数の通信システムを使用するとダウンロードが遅くなるという問題

Murataは、騒音が発生する特定の事例をいくつか調査しました。

ノイズと複数のワイヤレス通信

LAA/LTE-Uの導入
最初に、Murataは複数のワイヤレス通信の事例を提示します。Murataは、5GHz帯を使用したワイヤレス通信用のWi-Fi®に極めて精通していますが、スマートフォンで使用されているLTEシステムのための5GHz帯も活用することにしています。5GHz帯を使用しているLTEは、LAAまたはLTE-Uと呼ばれています。これは、既存のLTEおよびキャリア集約を介した大容量通信が可能になる技術です。これを実行すると、Wi-Fiとの同時使用も期待されます。つまり、LTE、LAA、Wi-Fiの3つのシステムの回路がすべて稼働するようになるということです。Murataは、この状況で問題なくワイヤレス通信を実行できるかどうかを検討します。

受信感度と複数の通信

受信感度の図（下の図1）は、Wi-Fi通信がすでに実行されている間にLAA通信が開始された場合のLAA受信感度の計測結果を示しています。Murataは、Wi-Fi通信をONにすると受信感度が低下すると判断しました。

受信感度が低下した場合（下の図2）、基地局またはアクセスポイントからからの信号強度が弱いと通信が適切に実行されません。つまり、まれにデータが遅くなり、ユーザーによってはストレスを感じる可能性があるということです。この問題は、Wi-FiとLAAが同じ周波数を使用して通信を行うために発生します。これは、5GHz帯の信号が互いに干渉しているか、ワイヤレス回路が稼働している場合に発生するノイズの影響によるものです。以前は、同時に実行されていた同じ周波数の無線回路はありませんでした。

受信感度が低減する原因

Murataは、受信感度の低下の原因を確認するために、システムシミュレーションを使用して試験を実施しました。このシミュレーションでは、各ブロックが最適な状態で動作しているため、ノイズが発生しない環境で通信特性が得られます。

結果は、実際の機器の受信感度が低下したことを示していますが、シミュレーションではこの変化は観察されませんでした。これは、LAAとWi-Fiの同時通信だけでは受信感度の低下が発生しないことを示しています。Murataは、それぞれの回路が稼働している時にノイズが発生する原因を推測し、実際の装置の内部のノイズ調査を行いました。

LTE、LAA、Wi-Fi通信中に発生するノイズ

電力線での導電性ノイズ測定の結果

回路図（上の図3）は、LTE、LAA、Wi-Fi回路ブロックを示しています。右側に示す条件の下で通信を実行した場合の電力線のノイズを計測しました。結果は、Wi-Fiモジュールの電力線がスペクトルで最高レベルであり、RFICの電力線に対しても同じスペクトルが観察されていることを示しています。これはWi-Fi通信信号の帯域幅に一致し、Wi-Fiから発生するノイズが電力線に伝送され回路ブロックに流れていることを示しています。

Murataによるノイズ発生と導電経路のポイントの概要:
        •  RF回路の電力線で確認されたノイズには80MHzの帯域幅がありました。
        •  通信は、Wi-Fiの場合に80MHzの帯域幅で、LTEおよびLAAの場合に20MHzの帯域幅で実施されました。
        •  上記の点から、ノイズはWi-Fiモジュールから電力線に流れ出ていると言えます。
        •  ノイズはRF回路に流れ、これによって受信LNAの信号対ノイズ比が低減します。
        •  最終的には、これによって受信感度が低減します。

ノイズ抑制フィルタ

Murataは、ノイズ発生経路と導電経路の発見に成功したため、ノイズ伝導を低減するためにノイズフィルタを挿入しました。ノイズフィルタは、RF回路の電源入力装置に挿入されました。

ノイズの抑制方法と改善結果

Murata BLF03VKシリーズは、5GHz帯のノイズ低減を目的としており、ノイズフィルタに使用されました。Murataは、導電性ノイズが低減されると受信感度が向上することを確認しています。

周波数が重複する複数のワイヤレスシステムを使用する環境では、1つの通信回路から別の通信回路に対してノイズが発生しそれに悪影響を与える可能性があります。効果的な対策は、特定の周波数帯域を除去できるノイズ除去フィルタを電力線に配置することです。

ノイズと高速差動データ通信

HDMI通信を実行する場合の問題
Murataは、家庭環境でHDMI通信を実行する際に発生する問題も提示しています。HDMIは、BDレコーダ、STB、TVを接続するためのビデオシステム・インターフェイスとして広く使用されています。TVをPCに変換するための静的PCインターフェイスとしても使用されます。最新の規格では、HDMIバージョン2.1が発表されましたが、多くのユーザーが2.0または1.4を使用していると思料されます。

表（下の図4）は、スティックPCがTVに挿入された際の結果を示しており、HDMI通信中のWi-Fi受信感度が計測されています。表に示されているように、4dB弱の感度の低下がみらら、HDMI回路動作にともなうノイズが発生し、受信感度の低下につながっています。

HDMI通信中のWi-Fi受信感度表

HDMI通信中の信号の研究

次の質問: HDMI通信中に何が起こっているのか？ Murataは信号の状態を調査しました。

このスティックPCの図（下の図5）は、先に述べたスティックPCのPCB表面の磁場分布のマッピングを示しています。HDMIコネクタ、ワイヤレス回路、制御ICで構成されています。約15cm × 8cmの大きさに収納されているため、すべての回路が近接しています。

結果として、デバイス内部でノイズが発生すると、アンテナとその他のRF回路と結合されて容易にワイヤレス通信を妨害してしまいます。このスティックPCではPCB全体にノイズが拡散されているように見えるため、Murataは電磁波吸収シートをPCB全体に取り付け、アンテナに結合されたノイズのレベルが変化するか否かを検証しました。

ノイズレベルの約10dBの低下によって、ノイズはPCBからアンテナに結合されたことを示しています。

考えられる効果的な救済

HDMIの稼働中にノイズが発生したとMurataが推測したところ、信号線にもノイズが発生していると結論づけられました。

Murataは、HDMI信号とクロックラインにノイズ低減フィルタを使用してみることを決めました。コモンモード・チョーク・コイルとPiローパスフィルタ（LPF）の2種類のフィルタが使用されました。コモンモードチョークコイルは、差動伝送線の信号波形に影響を与えることなくコモンモードノイズだけを除去する効果があるフィルタです。

コモンモード・チョーク・コイルを使用しても効果は見られませんでしたが、Pi LPFはノイズの低減に効果的でした。これは、スティックPCで差動モードノイズが発生していることを示しています。（注: 一部のターゲットデバイスでは、コモンモードノイズの成分が圧倒的である可能性があるため、コモンモード・チョーク・コイルが有効な場合があります。）

フィルタの選択

Murataは、差動モード・ノイズが圧倒的であったため、ノイズを低減でき信号にも影響を及ぼさないフィルタを選択する必要がありました。

このようにMurataは、5GHz帯での効果的なノイズ低減を実現する新しいBLF03VK製品シリーズを開発しました。Murataは、この製品シリーズからこれらの特性があるアイテムを選択しました。

5GHz帯用のフェライトビーズ
特徴: 従来のフェライトビーズのような低周波から増加するインピーダンスの代わりに、インピーダンスが5GHzで増加するように材料と内部構造が設計されています。

選択フィルタの概要（下の図6）は5GHz帯のみを対象としたフィルタを検証していまが、Murataの製品ラインナップには2.4GHzおよび700MHz帯用のフィルタもあります。

ノイズフィルタを使用した対処の効果

図（下の図7）は、PiフィルタをBLF03VKに置き換えてノイズ低減効果を検証した結果を示しています。クロックの高周波成分が約10dB減少したことが確認されました。

黄色に塗られた領域はWi-Fi（11ac）で使用されるチャンネルを示しており、ノイズは36チャンネルと124チャンネルで確認できます。この結果、特にノイズが発生したチャンネルで受信感度が大幅に低下しました。しかし、新しいノイズフィルタを使用したノイズ抑制を適用することによって、さらなる高受信感度の実現を目的としてHDMIクロックから発生する狭帯域ノイズが低減されました。

信号品質の確認

フィルタがHDMIデータとクロックラインに挿入されたため、信号の品質をチェックしました。（下の図8）

HDMI 1.4信号波形
実施されたHDMI 1.4プリコンプライアンス試験の結果は、フィルタを使用した場合でもアイマスクに当たることなく試験に合格したことを示しています。これは、BLF03VKシリーズによる低周波帯域のインピーダンスが小さいことが一因としてあげられます。特定の帯域でのみインピーダンスが増加し、信号品質を確保するためにノイズが除去されるフィルタの必要性が高まると予想されます。（注: 実際にフィルタを使用する波形は、ICおよび設定環境に応じて変化するため検証が必要となります。）

概要

Murataは、5GHz帯域でのノイズを低減する2つの対処方法の例を示しました。

以前は、5GHz周波数は一般的に使用されていませんでした。このため、ユーザーは、ノイズの問題が発生する可能性は低いと考えていたかもしれません。しかし、実際にノイズを調べると、信号と電力システムの両方でノイズが発生していることがわかりました。

安定した高速通信を実現するために5GHz帯が選択されていても、ノイズが存在すれば最大限の性能を実現できません。Murataのノイズ抑制製品を使用すると、低ノイズ環境を作成し安定した通信品質を確保できます。

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