拥挤WiFi环境中的干扰问题,如何用BAW滤波器解决?

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家中 Wi-Fi 出现信号干扰,消费者有很多办法可以解决这个问题,例如移动路由器的位置,重新连接 Wi-Fi 网络,重启调制解调器,一筹莫展的时候还可以联系服务供应商。可是,作为一名 RF 工程师,你可以怎样设计 Wi-Fi 接入点,从而在源头解决最严重的干扰问题呢?

本篇博文将重点探讨影响 Wi-Fi 干扰的以下几个因素:

需要同时支持多种无线标准

干扰类型各不相同

带缘的重要作用

高性能带缘共存滤波器的重要意义

 

一个接入点,多种无线技术标准

 

 

 

 

开发 Wi-Fi 接入点时,设计人员必须考虑多种无线技术标准:

中距和短距标准,例如 Bluetooth、Zigbee 和 Z-Wave

功率较高的近距和远距标准,例如 Wi-Fi、3G/4G LTE 和 5G

 

 其中很多标准有可能会互相干扰,导致用户的连接出现问题。

 

另外,未许可频谱也会造成干扰。由于无线通信为了分流数据扩大容量,许可网络和未许可网络的重要作用都在与日俱增。除此之外,全新的物联网 (IoT) 领域也在大量利用未许可频谱。

 

如何确保许可频带、未许可频带以及多种协议和睦共存,不会互相干扰?这是我们需要考虑的问题。

 

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干扰类型各不相同:从设备内部干扰到 LTE 和蓝牙的干扰

 

 

 

 

设备内部和设备之间都可能出现干扰,例如无线载波的信号可以互相干扰,两种无线标准也可以互相干扰。蓝牙、LTE 和 Wi-Fi 这三种技术应用非常广泛,所以蓝牙和 LTE 对 Wi-Fi 的干扰也最为常见。我们来详细探讨一下这几类干扰:

 

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设备内部干扰

系统的多个天线架构有可能互相产生干扰,从而削弱受扰天线之间的耦合效果(天线隔离度)。其他天线的传输 (Tx) 信号会增大受扰接收器的噪声功率,对信噪比产生负面影响。接收器 (Rx) 敏感度降低,从而造成工程设计人员所说的“减敏”。

 

减敏,即接收器受到外部噪源影响,灵敏度降低。这种现象可以导致无线连接丢失或中断。这种问题并非现代才出现,早期无线电设备也时常遇到这个问题——其他组件启动之后,接收器的敏感度便会受到影响。然而,由于目前无线技术已广泛应用于智能手机、Wi-Fi 路由器、蓝牙扬声器等设备,这种问题如果不能妥善处理,便会产生更大的负面影响。

 

“减敏”主要出现在以下三种情况:

• 两个无线电系统占用相邻频率,并且发生载波泄漏。

• 一个发射器的谐波落入另一个系统的载波频率范围。

• 两个无线电系统共用同一频率范围。

 

 

LTE 和 Wi-Fi

下图中,频段 40、频段 7 和频段 41 这三个 LTE 频段非常接近 Wi-Fi 频段的信道。2.4 Ghz Wi-Fi 无线电频段高低两端都非常有可能泄入相邻频段的载波。如果系统设计不当,蜂窝信道 1 和 Wi-Fi 信道 11 便可能互相干扰彼此的收发容量。

 

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蓝牙和 Wi-Fi

蓝牙和 Wi-Fi 发射信号的方式不同,采用不同的协议,但是工作频率范围相同(如下图所示)。因此,如果 Wi-Fi 在 2.4Ghz 频段工作,Wi-Fi 和蓝牙便会影响对方发射信号。由于蓝牙和 Wi-Fi 的无线电设备时常在同一实体区域工作,例如位于同一接入点内,两种标准互相干扰,有可能影响双方无线接口的性能和可靠性。

 

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带缘在 Wi-Fi 共存方面的重要作用

 

 

 

 

美国政府已经采取多种方法帮助消费者解决相关问题,其中一种方法是出台法规,规范多种电子设备的辐射和频谱,要求消费类产品必须经过合规检测。

 

美国联邦通信委员会 (FCC) 要求多数 RF 设备均须经过检测,证明产品符合 FCC 的要求。他们规定设备在较低和较高的 Wi-Fi 频率范围内应具有陡峭的裙边,以此实施严格的带缘要求,从而保障相邻频谱共存。

 

Wi-Fi 接入点可以通过两种方式达到 FCC 的要求:

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降低 Wi-Fi 信道 1 和信道 11 的功率水平,因为两者位于 Wi-Fi 频谱的边缘。

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采用带缘非常陡峭的滤波器。

 

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解决干扰问题的设计技巧:采用高品质的 BAW 滤波器

 

 

 

 

我们采用高性能共存带缘滤波器,Wi-Fi 发射器可以在接近 FCC 高低带缘的范围工作。

 

 

高品质体声波带通滤波器已经成功为众多客户所采用,展现了以下诸多长处:

 
 

• 裙边极陡,可在 Wi-Fi 频段实现低损耗,在带缘和相邻 LTE / TD-LTE 频段实现高抑制性能

• 尺寸大幅缩小,有助于设计人员打造更加小巧、更有吸引力的家用或办公室用终端用户器件

• 可实现同一器件或临近器件Wi-Fi 和 LTE 信号共存

• 独特的功率处理能力,可在高性能高功率接入点和小基站中使用

 

 

这些滤波器能够解决多用户多输入/多输出 (MU-MIMO) 系统遇到的温度难题,同时不会影响谐波合规和辐射性能。如果希望充分覆盖整个分配频谱,这一点至关重要。

 

Q

可是,高品质 BAW 滤波器在 FCC 规定带缘方面的表现为何如此出色?

 

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相对于在 Wi Fi 频率范围内的 SAW 技术而言,BAW 器件插入损耗更低,带缘更陡,温度更加稳定

接入 Wi-Fi 等带宽更大的网络之后,由于声能辐射进入基板体,表面声波 (SAW) 器件的插入损耗将会提高。在下图中,我们可以看到随着频率的升高(右移),高品质 BAW 的体辐射损耗更小,因此是多路复用器滤波器设计的最佳选择。此外,BAW 还能保证 FCC 要求的陡峭带缘,SAW 在此类高频范围无法达到这一性能要求。

 

BAW 也比其他技术具有更好的温度稳定性,这在 FCC 认证测试中具有优势。多数 Wi-Fi 设计均以室温为基准 (20-25℃),但系统实际的运行温度可能达到 60-80℃。温度升高,插入损耗便会增加,如果事先未考虑到这一点,产品认证期间便可能出现问题。采用 BAW 技术可以减少插入损耗,提高认证测试的通过率。 

 

BAW 相对于 SAW 的更多优势请见我们免费的电子书《RF Filter Technologies For Dummies®》(卷一)。

 

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BAW 滤波可以帮助工程设计人员实现干扰频段无缝过渡

下图中,使用滤波器之后,带缘响应优于使用之前。设计人员利用这种技术可以突破 RF 前端输出功率的极限,同时不会违反 FCC 对于功率频谱密度的规定。没有采用滤波技术的情况下,一些频谱可能无法使用,运营商和制造商利用带缘 BAW 滤波技术之后,即可充分利用这些频谱,从而提高数据传输速度,加大带宽。

 

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高品质 BAW 带缘滤波器可以将信道 1 和信道 11 的范围扩大两到三倍

Wi-Fi 设计人员设置信道功率时,通常必须把符合带缘监管要求的最低功率设为整个设备所有信道的功率。例如,信道 1 符合监管要求的功率为 15 dBm,虽然信道 6 可以达到 23 dBm,设计人员还是会将控制方案的整体功率设为 15 dBm。设计人员如果使用带缘滤波,可以大幅提高控制方案的整体功率,从而减少所需的 RF 链路。

 

除此之外,BAW 带缘滤波器的发射功率可以达到 28 dBm,使得系统性能增强幅度超过 15%,5G 多用户 MIMO 的同信道干扰也会减少。

 

CPE 开发人员如果不采用带缘滤波,Wi-Fi 频段的信道 1 和信道 11 便难以遵守 FCC 的规定;而采用高品质 BAW 带缘滤波器之后,CPE 设计人员即可将所有信道(1 到 11)的功率均保持在较高水平。

 

为了具体地了解带缘滤波器的作用,我们看一下用户体验在采用带缘滤波器前后的差异:

 
 

• 采用滤波器之前:假设你所在的房间内有多人使用 Wi-Fi 和手机,你正在使用信道 5 的 Wi-Fi 观看足球比赛直播,没有缓冲也没有中断。可这时,房间进入一个手机用户,开始占用你的 Wi-Fi 在信道 5 的空间。CPE 设备经过调整之后,将你转移至信道 1,以便释放信道 5 的空间。如果 Wi-Fi 设备没有带缘滤波器(如左侧的块状图所示),Wi-Fi 的信号强度和直播质量将会出现下降,导致程序出现缓冲。这是什么原因?因为 CPE 设备为了遵守 FCC 的规定,必须降低信道 1 的功率,以免干扰相邻的蜂窝频段。

• 采用滤波器之后:如果 CPE 设备具备带缘滤波器(如右侧块状图所示),信道 1 和信道 11 便不会受到影响,也不需要降低功率,你可以继续流畅观看足球比赛直播。

 

 

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深入了解:Qorvo 的 Wi-Fi 解决方案能够协助解决信号干扰的原理

 

 

 

 

我们已经进入了一个互联的时代,设备和无线标准越来越多,共存和干扰的问题必然也将持续存在。采用高品质 BAW 滤波器的 Wi-Fi 设计可以增强 Wi-Fi 接入点的性能,从而充分利用现有的每一段频谱。

 

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