Neljännen polven LTE-verkkotekniikka lupaa paljon. Kasvavien datanopeuksien myötä kasvaa myös EMC-häiriöiden mahdollisuus. Niiden kurissa pitäminen on tärkeää laitteiden suunnittelijoille.
|
Kirjoittaja Nobuyuki Wada on Murata Europen EMI-suotimista ja induktoreista vastaava tuoteinsinööri. |
Älypuhelimien ja tablettien yleistyessä tarve nopeammille langattomille yhteyksille kasvaa. Nopeampaa dataa vaativat erityisesti verkkopelit ja mahdollisuus ladata esimerkiksi videoita älypuhelimiimme mobiiliverkkojen kautta. Kuluttajina olemme kaikki törmänneet huonoihin verkkonopeuksiin ja pitkiin vasteaikoihin. Operaattorit näkevät nämä kannattavat palvelut ykkösprioriteettina ja jatkavat investoimista välttämättömään verkkoinfrastruktuuriin.
Datanopeuksien kasvattaminen vaatii puolestaan nykyistä tehokkaamman tavan hallita käytössä olevia taajuuksia, jotta voidaan maksimoida sekä nopeus että verkkoa samanaikaisesti käyttävien käyttäjien määrä. Yhtä tärkeätä kuin kasvataa datanopeutta, on lyhentää verkon vasteaikoja. Monien operaattorien mielestä nykyisissä 2g- ja 3g-verkoissa lähestytään jo datanopeuden rajoja ja ne tutkivatkin jo tulevaisuuden tekniikoita pystyäkseen jatkamaan datanopeuksien kasvattamista.
Vuonna 2010 esitelty Long Term Evolution tai LTE lupaa selvästi nykyisiä 3g-verkkoja nopeammat datanopeudet ja nopeammat vasteajat. LTE-verkkoja otetaan käyttöön ympäri maailman. Kun datanopeudet ovat nykyisin kolmannen sukupolven HSPA+-verkkoihin verrattuna nelinkertaiset ja vasteajat 80 prosenttia lyhyemmät, LTE:n tulevaisuus näyttää lupaavalta.
Kun datanopeus kasvaa, lisääntyvät myös matkapuhelimen mahdollisesti aiheuttamat sähkömagneettiset EMC-häiriöt, mikä vaikuttaa suorituskykyyn. Jotta LTE-puhelin saavuttaisi toivotut suorituskykyvaatimukset, pitää EMC-häiriöiden lähteet ymmärtää huolellisesti ja vähentää niitä. Tämä artikkeli tarkastelee EMC-häiriöiden syitä matkapuhelimessa ja kertoo, mitä askelia suunnittelijoiden on otettava häirilöitä vähentääkseen.
Kohinaa laajalla alueella
Mitkä tekijät sitten aiheuttavat häiriöitä LTE-puhelimessa, kun sitä verrataan nykyisin käytössä olevaan 3g-puhelimeen? Yksi ensimmäisiä huomioon otettavia asioita on, että kohinaa on laajalla taajuusalueella. Laitevalmistajat haluavat kehittää laitteita, jotka täyttävät yksitään yhden maan regulatoriset ja alueelliset vaatimukset. LTE otetaan käyttöön monilla eri taajuusalueilla 700 megahertsistä aina 2,6 gigahertsiin asti. Todennäköisesti sitä käytetään myös muilla taajuusalueilla, sillä vapaista taajuuksista on jatkuvasti pulaa. Minkä tahansa EMC-häiriöiden vähennystekniikan täytyy siis toimia laajalla taajuusaluella niin, että LTE-laitetta voidaan käyttää kaikkialla maailmalla.
Maksimoidakseen käytettävissä olevat taajuudet ja hyödyntääkseen useita signaalipolkuja LTE-puhelimissa tullaan todennäkäisesti käyttämään MIMO-antenneja (multiple-input, multiple-output). Useiden antennien käyttö eroaa perinteisestä langattomasta tietoliikenteestä, jossa signaaleja vastaanotetaan vain yhdellä antennilla. On oltava erittäin huolellinen, jotta häiriöitä vähentävät tekniikat ottavat huomioon jokaisen antennin.
Mittausasetelma
Ylläoleva kuva näyttää testiasetelman, jossa mitataan puhelimen antenneista tuleva liitäntöjen aiheuttama kohina. Testissä käytettiin LTE-älypuhelinta, joka toimi kaistalla 13 (700 MHz). Kuten kuvasta näkyy, antennit leikattiin irti ja sijaan liitettiin koaksiaalikaapeli. Koaksiaalikaapeli liitettiin spektrianalysaattoriin signaalinvahvistimen kautta, jotta nähtäisiin antennien aiheuttamat signaalihäiriöt.
Mittaustulokset viittasivat laajakaistaiseen kohinaan sekä pää- että aliantennin liitännässä, kuten allaoleva kuva esittää.
Antenniliitäntöjen kohina-arvot
Näyttää siltä, että tämä kohina heikentää vastaanotettujen signaalien signaali-kohina-suhdetta, mikä heikentää linkin laatua. Kun kohinan lähdettä tutkittiin, nähtiin että voimakasta kohinaa oli LCD-näytön ja pääalustan yhdistävän joustavan kaapelin datalinjoissa. Jotta voitaisiin päätellä, oliko tämä kohina samaa kuin antennien kohina, kohinoiden aikavariaatiota tutkittiin.
Selvisi, että kohinoiden aikajakso oli sama, kuten allaolevasta kuvasta käy ilmi. Tulokset osoittivat, että LCD-näytön datalinjat olivat linkin laatua heikentävän kohinan lähde.
Kun kohinan lähde oli selvitetty, tutkittiin keinoa jolla datalinjojen kohinaa saataisiin pienemmäksi. Muratan LC kohinanalennussuodin (osanumero NFA18SL227V1A45), asennettiin datalinjoihin isännästä LCD-näyttöön. Osan nimellinen rajataajuus on 220 megahertsiä 25 ampeerin virralla ja 10 voltin jännitteellä. Tähän komponenttiin päädyttiin, koska sillä voidaan merkittävästi vähentää kohinaa niin, että aaltomuotoihin tulee vaikutuksia mahdollisimman vähän. Muilla taajuusalueilla pitää valita muita suodinkomponentteja.
Suotimen asentamisen jälkeen antennin antennit liitäntäkohina tutkittiin uudelleen. Testi paljasti, että molemmissa antenneissa suotimen käyttö kutistu kohinan lähelle pohjakohinan lukemia. Lisäksi havaittiin, että paikallisen magneettikenttä heikkeni merkittävästi suotimien ansiosta. Signaalin aaltomuotoihin suotimilla ei ollut vaikutusta.
Suotimien vaikutus signaalin eheyteen
Lopulta tutkittiin, miten suotimien käyttö vaikutti LTE-signaalin eheyteen.
Ylläoleva kuva näyttää OTA-mittausten tulokset datanopeuden ja lähettimen minimiherkkyyden suhteen. Mittaukset tehtiin kaikukammiossa, jotta MIMO-yhteyden laatu selviäisi. Tulosten mukaan sekä lähettimien minimiherkkyys että datanopeus (throughput) paranivat merkittävästi.
Tällä menetelmällä yhteyden laatua voidaan parantaa lisäämällä sopiva määrä EMC-suotimia oikeaan kohtaan järjestelmässä. Esimerkki osoittaa, että EMC-häiriöiden ratkaiseminen on keskeistä yhteyden laadun parantamisessa. Myös muilla taajuuskanavilla häiröitä voidaan vähentää valitsemalla suotimia, jotka toimivat laajalla taajuusalueella.
5G-yhteyden rakentamiseen ei välttämättä tarvita matkapuhelinoperaattoria, SIM-kortteja eikä lisensoitua radiotaajuutta. DECT NR+ tuo 5G-standardin ominaisuuksia paikallisiin IoT-verkkoihin, joissa tarvitaan pitkää kantamaa, pientä viivettä ja luotettavaa tiedonsiirtoa. Uusi tekniikka yhdistää itsestään järjestäytyvän mesh-verkon, energiatehokkuuden ja nopean tiedonsiirron tavalla, joka haastaa monet nykyiset langattomat ratkaisut.