Проникновение сигналов по цепям питания и “общего” проводника

Поскольку небольшие объемы телефона не позволяют использовать несколько батарей, все его беспроводные интерфейсы используют общий источник питания. Некоторое взаимовлияние сигналов при этом неизбежно. В данном случае паразитный импеданс складывается, в основном, из сопротивления батареи и последовательных сопротивлений проводников питания и “общего” проводника на участке от батареи до точки разделения этих шин. Такое взаимовлияние можно снизить, уменьшив, насколько возможно, сопротивление общих участков, разделяя токи питания как можно раньше, а также путем тщательной развязки шин питания.

Паразитное взаимовлияние цепей

В связи с небольшими размерами телефона и, как следствие,близким расположением цепей, вероятным источником помехи является паразитная связь между цепями. Три основных фактора, позволяющих снизить такое взаимовлияние, это местоположение цепей и компонентов, ориентация компонентов и проводников и экранирование. Хотя рекомендуется располагать влияющие друг на друга цепи как можно дальше, эта возможность сильно ограничивается физической конструкцией телефона, в том числе его размерами, что делает это решение труднореализуемым. Некоторую степень подавления помех можно получить за счет правильной ориентации цепей так, чтобы сигнал помехи стал синфазным. Правильная ориентация печатных проводников также важна для снижения помех. Если разделения и ориентации цепей недостаточно, что обычно характерно для мобильного телефона, то надо использовать экранирование.

Плохая развязка между антеннами

Когда беспроводные системы находятся в корпусе одного телефона, следует уделять особое внимание развязке антенн. Физическое разнесение (т.е. затухание с расстоянием) здесь невозможно, поскольку большинство телефонов имеет длину всего 6 или 7 см. Такое расстояние ничего не значит для систем, предназначенных для связи на несколько километров или, в случае Bluetooth, нескольких метров. Снизить такого рода помехи можно путем ортогональной поляризации антенн и размещения антенны одного интерфейса в нулевой точке поля антенны другого интерфейса.

Также для экранирования антенн, расположенных в разных секциях

телефона, могут использоваться экраны и экранирующие печатные проводники. Там, где этого недостаточно, нужно использовать дополнительную фильтрацию — либо в передатчике, излучающем помеху, либо в приемнике, который ее принимает, в зависимости от природы такой помехи. Практические уровни развязки двух антенн, работающих в одном диапазоне, составляют 20 дБ, а для разных диапазонов обычно более 30 дБ.

Уровни помех

Прежде, чем измерять слабые сигналы помех, возникающие в результате близкого расположения нескольких беспроводных интерфейсов в одном телефоне, было бы полезным оценить их максимально допустимый уровень.

Внеполосные излучения (такие как фазовый шум и паразитные составляющие), непреднамеренно излучаемые передатчиком, часто попадают в полосу приема других интерфейсов, повышая уровень шумов и снижая чувствительность приемника. Даже относительно малые сигналы помех могут оказаться значительными, если телефон работает на периферии соты. Любое снижение чувствительности уменьшает максимальный размер соты, и должно компенсироваться повышением уровня передачи базовой станции. Кумулятивное влияние большого числа таких телефонов проявляется в снижении пропускной способности системы. Поэтому приемники должны разрабатываться с учетом возможности работы с наиболее слабыми сигналами в присутствии таких помех.

Расчет развязки между передатчиком Bluetooth или WiFi и приемником GSM достаточно прост. Необходимая развязка просто равна разности между максимально допустимым уровнем внеполосного излучения передатчика Bluetooth или WiFi и максимально приемлемым уровнем помех на входе приемника GSM. И Bluetooth, и WiFi работают в диапазонах ISM и оба соответствуют спецификациям ISM для той страны, где они используются. Согласно английским нормам на внеполосное излучение (ETS 300 328) на частотах ниже 1 ГГц, максимальная мощность внеполосного излучения в любой полосе 100 кГц не должна превышать -36 дБм. Для прямого сравнения с сигналами GSM нормализуем указанную в спецификациях величину <-36 дБм до <-33 дБм в полосе 200 кГц. Это максимальный уро-вень помех, который может легально излучаться передатчиком.

Спецификации GSM требуют, чтобы телефон обеспечивал значение коэффициента битовых ошибок (BER) не хуже 0,1% при входном сигнале -102 дБм. Минимальное значение отношения уровней несущей к помехе (C/I), необходимое для получения такой чувствительности, составляет 9 дБ, включая 2 дБ на технологический разброс. Это значит, что для удовлетворения требований спецификаций суммарный уровень всех источников шума и помех не должен превышать -111 дБм. В такой системе существуют три источника шума и помех: тепловой шум, шум, вносимый приемником, выраженный коэффициентом шума (КШ), и принимаемые помехи. Тепловой шум по своей природе имеет фиксированное значение, тогда как коэффициент шума приемника определяется конструкцией. Следовательно, если КШ приемника известен, можно рас-считать максимальный допустимый уровень помех1. При КШ приемника 8 дБ помехи не должны превышать -123 дБм. В данных условиях необходимая развязка между передатчиком Bluetooth или WiFi, излучающим сигнал помехи с максимальным допустимым уровнем, и приемником GSM составляет 90 дБ.

Как показано на рис. 1, максимальный приемлемый уровень помех зависит от КШ приемника. Если КШ приемника равен 10 дБ, то тепловой шум плюс КШ дают величину -111 дБм, не оставляя места для внешних помех. Такой приемник с трудом удовлетворяет требованиям специ-фикаций даже при отсутствии помех. Следовательно, КШ приемника не-обходимо снизить в соответствии с уровнем помех. Если предположить, что КШ на рис. 1 равен 8 дБ, то максимальный приемлемый уровень по-мех будет -123 дБм, что согласуется с приведенным выше расчетом.

Рис. 1. Зависимость допустимого уровня внешних помех от КШ для приемника GSM

 

Теперь, когда известен приемлемый уровень внеполосных излучений, можно измерить реальный уровень, чтобы подтвердить соответствие или выявить проблему.

Рис. 2. Схема измерения слабых сигналов помех

На рис. 2 показана блок-схема измерения помех, в которой используется следующее оборудование:

- анализатор спектра, такой как Agilent E4443A PSA, для измерения уровня излучения. Собственный шум анализатора или DANL равен всего –153 дБм/Гц в полосе от 2 до 3 ГГц, что соответствует КШ примерно 23 дБ — достаточно низкому для анализатора спектра;

- ФНЧ, подавляющий основную гармонику частоты передатчика 2,4 ГГц и предотвращающий снижение чувствительности анализатора под воздействием передатчика;

- циркулятор, включенный между тестируемым устройством и филь-тром для согласования тестируемого устройства и обеспечения его нормальной работы при блокировке или отражении сигнала передатчика фильтром;

- малошумящий усилитель (МШУ) для снижения КШ анализатора со

значения 23–25 дБ до 7–8.

Разрешающую способность по частоте (RBW) анализатора спектра

следует установить на 100 кГц, поскольку спецификации ISM определяют уровень внеполосных помех в полосе 100 кГц. Хотя отношение сиг-нал/шум может быть достаточно плохим, увеличение разрешения все рав-но не поможет. Для широкополосных сигналов, таких как Bluetooth и WiFi, при сужении полосы мощность сигнала снижается вместе с мощностью шума. Поэтому для измерения очень слабых внеполосных излучений надо как-то снизить шум анализатора.

Рассмотрим в качестве примера измерение внеполосных излучений модуля WiFi, который предполагается использовать в телефоне cdma2000. Для примера предположим, что уровень мощности помехи равен -109 дБм в полосе 100 кГц (вполне реальный уровень, если КШ приемника cdma2000 равен 8 дБ или меньше, а развязка между антеннами не хуже 25 дБ). Тепловой шум на входе малошумящего усилителя равен -124 дБм в полосе 100 кГц. Но поскольку КШ усилителя равен 7 дБ, к входному шуму добавляется еще 7 дБ, и суммарный шум становится равным -117 дБм. Это дает измеренное отношение сигнал/шум (SNR) 8 дБ, что соответствует погрешности измерения значительно ниже 1 дБ — чего более чем достаточно для этих целей.

При расчете максимального допустимого уровня помех предполагалось, что источником всех помех является внеполосное излучение модулей WiFi или Bluetooth. В действительности для определения допустимого КШ приемника и внешних уровней помех надо учитывать помехи от всех одновременно работающих систем. Следует также учитывать ухудшение чувствительности приемника, например, в результате блокировки. После учета всех источников помех и внесения поправки на снижение чувствительности приемника, допустимый уровень любого отдельного источника может оказаться значительно ниже, чем следует из первоначального расчета. Это может существенно ужесточить требования к конструкции и измерениям.

Измерение помех

Для измерения сигналов помех очень малого уровня применяются два метода — метод вычитания шума и метод усреднения спектра перекрытия мощности. Эти методы применимы к любым беспроводным технологиям.

Лабораторная работа №1.