Murata Rauschentwicklung und Rauschunterdrückung in 5G

Die Auswirkungen der bestehenden drahtlosen Kommunikation auf die 5G-Kommunikation sind nach wie vor unklar.

Voraussichtliche Rauschprobleme

Es wird erwartet, dass 5G-Kommunikationsumgebungen nicht ausschließlich verwendet, sondern vielmehr zu bestehenden Kommunikationsumgebungen hinzugefügt werden. In diesen Umgebungen können sich die störenden Emissionen, die durch die bestehende drahtlose Kommunikation erzeugt werden, mit den drahtlosen 5G-Schaltungen verbinden, was zu Störungen bei der Kommunikation führt.

Reale 5G-Bauteile sind bereits auf dem Markt erhältlich, aber da die Evaluierung mit tatsächlichen Bauteilen lange dauert, erfand Murata ein System, das eine Millimeterwellen-Schaltung (Abbildung 1, unten) einer 5G-Kommunikationsschaltung hinzufügt. Murata verwendete dann Frequenzvervielfacher und Mischer-Testboards in der Schaltung, um die Auswirkungen zu evaluieren, die bei einer für den Betrieb erforderlichen Verbindung von externem Rauschen mit einer Signalleitung auftreten. In der Studie werden störende Emissionen und nicht die Kommunikationssignale selbst als überschüssige Signale bezeichnet. Sie umfassen Kommunikationssignale von anderen Kommunikationen und Schwingungen höherer Ordnung.

Murata konzentrierte sich auf den Frequenzvervielfacher und Mischer, um zu bestimmen, ob externes Rauschen mit einer Signalleitung verbunden ist.

Untersuchung von Signalen

Um die Umstände der Millimeterwellen-Schaltungen in Verbindung mit dem externen Rauschen zu erkennen, wurde dieses Phänomen anhand des in Abbildung 2 (unten) dargestellten Evaluierungssystems überprüft. Das externe Rauschen wird mit dem Richtungskoppler in LO-Richtung des Substrats gekoppelt, in der der Mischer verwendet wird, um die LO- und ZF-Signale zu koppeln. Eine Frequenz von 20 GHz bzw. Leistung von 15 dBm wird in die LO-Signalleitung und eine Frequenz von 3,5 GHz bzw. Leistung von 0 dBm wird in die ZF-Signalleitung eingegeben. Externes Rauschen mit einer Frequenz, die der des LO-Signals bei einer Frequenz von 19,8 GHz und 19,5 GHz ähnlich ist, wird bei einer Leistung von 0 dBm eingegeben.

Evaluierungssystem
Der Effekt, wenn externes Rauschen mit dem LO-Signal verbunden ist, wurde evaluiert.

Evaluierungsergebnis

Wenn externes Rauschen bei 19,5 GHz und 19,8 GHz verbunden war, stellte Murata fest, dass neben der erwarteten Ausgabe von 23,5 GHz aus dem Mischer, störende Emissionen für die Differenz zwischen der LO-Signalfrequenz und der Rauschfrequenz erzeugt werden (Abbildung 3, unten). Die Erzeugung von störenden Emissionen konnte ebenso im Frequenzvervielfacher festgestellt werden.

Evaluierungsergebnisse (externes Rauschen: 19,8 GHz, 19,5 GHz)
Die Verbindung zu externem Rauschen führte zu störenden Emissionen.
Hinweis: Um zu beurteilen, ob diese störenden Emissionen die Kommunikation tatsächlich beeinträchtigen, verwendete Murata den Kommunikationssimulator SystemVue® von Keysight.

Evaluierung der Auswirkung von erzeugten Signalen

Die SystemVue-Simulationen nutzten eine vereinfachte Ausführung des tatsächlichen Modells, wie in Abbildung 4 (unten) gezeigt.

Senderseite
Ein moduliertes Signal für das 5G-Kommunikationssystem wird vom BB-IC der Senderseite ausgegeben. Für eine Aufwärtswandlung auf eine Millimenterwellen-Frequenz wird dies mit dem LO-Signal im senderseitigen HF-IC kombiniert. Das 5G-Kommunikationssignal wird dann ausgegeben.

Empfängerseite
Das übertragene Signal wird mit dem LO-Signal im empfängerseitigen HF-IC kombiniert und abwärtsgewandelt. Die Signaldemodulation im BB-IC wird durchgeführt und die BER (Bit-Fehlerrate) wird berechnet. 

Das externe Rauschen wurde mit dem LO-Signal dieses Evaluierungssystems verbunden und seine Auswirkungen wurden evaluiert.Die Empfangsempfindlichkeiten vor und nach der Verbindung des Rauschens wurden verglichen. Die Empfangsempfindlichkeit vor dem Verbinden des Rauschens betrug -96,7 dBm und die Empfangsempfindlichkeit nach dem Verbinden des Rauschens betrug -89,5 dBm, was einem Abfall der Empfangsempfindlichkeit von 7,2 dB entspricht.

In dieser Studie wurde die Empfangsleistung bei einer BER von 95 % als Empfangsempfindlichkeit bezeichnet. Daraus ergab sich, dass die Verbindung des Rauschens mit der LO-Signalleitung im Mischer und Frequenzmultiplikator die Kommunikation negativ beeinflussen.

Evaluierungssystem (SystemVue-Simulation)
Das externe Rauschen wurde mit der LO-Signalleitung verbunden und die Empfangsempfindlichkeit (Empfangsleistung bei BER 95 %) wurde evaluiert.

Evaluierungsergebnisse der SystemVue-Simulation

Murata fasst die Mechanismen zusammen, bei denen Störungen aufgrund von Rauschen aufgetreten sind (Abbildung 5, unten). Rauschen, das mit der LO-Signalleitung verbunden ist, tritt in den Frequenzvervielfacher ein und erzeugt störende Emissionen. Diese störenden Emissionen werden mit ZF-Signalen am Mischer kombiniert und die 5G-Signale und das Frequenzband werden überlagert. Dies führt dazu, dass falsche Signale von der Antenne übertragen werden, was zu einem Kommunikationsfehler auf der Empfängerseite führt.

Aus diesem Grund sind Maßnahmen zur Verhinderung von Rauschstörungen erforderlich, um den Eintritt von Rauschen in die LO-Signalleitung zu verhindern.

Evaluierungsergebnisse von SystemVue

Mechanismus zur Erzeugung von Rauschstörungen

1. Externes Rauschen ist mit der LO-Signalleitung verbunden.
2. Rauschen dringt in den Frequenzvervielfacher ein, und es kommt zu Störaussendungen.
3. IF-Signale gelangen in den Mischer.
4. Dies kombiniert mit den ZF-Signalen am Mischer führt zu einer Überlagerung der 5G-Signale und des Spektrums.

Ergebnis: Falsche Signale werden von der Antenne übertragen und ein Kommunikationsfehler tritt auf der Empfängerseite auf.

Es sind Maßnahmen erforderlich, um die Übertragung von Rauschen auf die LO-Signalleitung zu verhindern.

Rauschunterdrückungsmethode

Murata konnte aus früheren Studien ermitteln, dass das Rauschen unterdrückt werden kann, indem der Eintritt von Rauschen in die LO-Signalleitung verhindert wird. Insbesondere wird bei dieser Methode ein Filter zur Entfernung des Rauschfrequenzbands in der LO-Signaleingangsleitung des ICs installiert, der die Millimeterwelle erzeugt (Abbildung 7, unten). Der Filter kombiniert eine Induktivität und einen Kondensator und diese Elemente müssen basierend auf der angestrebten Rauschfrequenz eingestellt werden.

Fazit

In drahtlosen 5G-Schaltungen erzeugt der Eingang von Hochfrequenzsignalen zur LO-Signalleitung störende Emissionen im Frequenzvervielfacher und Mischer. Dies kann die Signalqualität senken, was zu einem Kommunikationsfehler führen kann.

Um dieses Rauschen zu unterdrücken, muss ein Filter installiert werden, der den Eintritt von Rauschen in die LO-Signalleitung verhindert. Die geeignete Konstante für diesen Filter ist unter Berücksichtigung der LO-Signalfrequenz und Rauschfrequenz auszuwählen.

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