Особенности создания Wi-Fi-устройств. Часть 2: решение проблем с помехами с помощью BAW-фильтров

В статье рассматриваются некоторые вопросы, которые так или иначе связаны с качеством связи по Wi-Fi:

• Поддержка нескольких беспроводных стандартов;
• Наличие различных типов помех;
• Проблемы взаимного влияния используемых частотных диапазонов;
• Важность использования высокоэффективных BAW-фильтров на объёмных акустических волнах (ОАВ-фильтры).

Поддержка нескольких беспроводных стандартов

При создании точек доступа Wi-Fi разработчики должны помнить, что современные беспроводные сети используют различные технологии (Рис. 1):

• Стандарты, которые работают с относительно маломощными радиоканалами в диапазоне низких и средних частот, например, Bluetooth, Zigbee и Z-Wave.
   
• Стандарты, которые подразумевают передачу сигналов большой мощности как в диапазоне низких, так и в диапазоне высоких частот, например, Wi-Fi, 3G / 4G LTE и 5G.

Рис. 1.	Характеристики современных беспроводных технологий.

К сожалению, многие из этих стандартов мешают друг другу, что приводит к проблемам с надёжностью и скоростью беспроводных соединений.

Не стоит забывать о наличии нелицензируемых диапазонов частот, которые также вносят дополнительные проблемы с перекрестными помехами. С увеличением объема трафика значение лицензируемых и нелицензируемых диапазонов возрастает. Кроме того, внедрение Интернета вещей (IoT) приводит к постоянному росту потока данных.

Одна из задач, стоящих перед разработчиками, заключается в том, чтобы обеспечить минимальный уровень перекрестных помех, сохранить все лицензированные и нелицензированные диапазоны, и гарантировать одновременную поддержку различных протоколов.

Типы помех: внутренние и внешние

Беспроводные устройства могут страдать как от собственных помех, так и от помех, создаваемых сигналами других беспроводных систем. Чаще всего перекрестные помехи возникают между стандартами Bluetooth и LTE с одной стороны и Wi-Fi с другой. Это связано с тем, что именно эти технологии являются наиболее популярными и распространенными. Давайте рассмотрим эти ситуации подробнее.

Рис. 2.	Беспроводные устройства могут страдать как от собственных помех, так и от помех, создаваемых сигналами других беспроводных устройств.

Помехи, генерируемые самим беспроводным устройством. Для поддержки различных беспроводных стандартов внутри устройства приходится реализовывать несколько антенных архитектур, которые могут мешать друг другу. Сигнал, передаваемый одной антенной, с точки зрения приемника, работающего с другой антенной, увеличивает мощность шума и ухудшает соотношение сигнал/шум. То есть, эффективность приема (Rx) уменьшается.

Снижение чувствительности приемника из-за внешнего шума приводит к ухудшению или нестабильности беспроводных соединений. Подобная проблема возникла еще при появлении первых радиоприемников, но теперь она становится особенно актуальной для современных беспроводных технологий и устройств, включая смартфоны, Wi-Fi-маршрутизаторы, Bluetooth-гарнитуру и др.

Существует несколько сценариев негативного взаимодействия беспроводных систем:

1. Две радиосистемы занимают граничащие частоты, и происходит частичное перекрытие диапазонов.
    
2. Гармоники одного передатчика совпадают с несущими частотами, используемыми другим передатчиком.
    
3. Две радиосистемы имеют одни и те же частоты.

Перекрестные помехи между LTE и Wi-Fi. Как показано на Рис. 3, некоторые частотные каналы LTE, а если конкретно, то диапазоны 40, 7 и 41, очень близки к каналам сети Wi-Fi. Таким образом, перекрестные помехи могут возникнуть как на нижней, так и на верхней границе диапазона 2.4 ГГц. Без выполнения грамотного проектирования каналы сотовой связи и Wi-Fi могут взаимно ухудшать качество передачи и приема друг для друга.

Рис. 3.	Взаимное влияние LTE и Wi-Fi может возникнуть как на нижней, так и на верхней границе диапазона 2.4 ГГц.

Перекрестные помехи между Bluetooth и Wi-Fi. Передача данных в Bluetooth и Wi-Fi осуществляется по-разному и с использованием разных протоколов, однако физически они работают в одном частотном диапазоне 2.4 ГГц (Рис. 4). В результате Wi-Fi и Bluetooth могут мешать друг другу. Если речь идет об устройстве, которое одновременно поддерживает и Wi-Fi и Bluetooth, то помехи между этими двумя стандартами способны негативно влиять на производительность и надежность обоих беспроводных интерфейсов.

Рис. 4.	Bluetooth и Wi-Fi делят один частотный диапазон.

Почему важно учитывать работу Wi-Fi на границах частотного диапазона

В большинстве стран беспроводные устройства должны отвечать требованиям национальных или международных стандартов, посвященных вопросам электромагнитной совместимости.

В Соединенных Штатах Федеральная комиссия по связи (FCC) требует, чтобы все радиопередающие устройства проходили тестирование на соответствие правилам FCC. При этом в соответствующих документах приводятся жесткие границы частотных диапазонов, что иногда вызывает значительные проблемы. Например, частотный диапазон, используемый для Wi-Fi во всем мире, оказывается очень близким к запрещенным диапазонам FCC (Рис. 5).

Рис. 5.	Диапазон, используемый Wi-Fi, не вполне соответствует требованиям FCC.

Чтобы точки доступа Wi-Fi отвечали требованиям FCC, можно использовать два подхода:

• Уменьшить уровень мощности на каналах 1 и 11, поскольку они находятся на грани спектра Wi-Fi
• Использовать фильтры с очень крутыми срезами частотной характеристики

Как решить проблемы с помехами: используйте BAW-фильтры

Основной подход при решении проблем работы Wi-Fi на границах частотного диапазона заключается в использовании особых полосовых фильтров (bandedge filters). При этом наибольшую эффективность продемонстрировали BAW-фильтры на объёмных акустических волнах. Они имеют целый ряд преимуществ:

• Чрезвычайно крутой срез частотной характеристики, что одновременно обеспечивает низкие потери в полосе Wi-Fi и высокое затухание сигналов из частотных диапазонов LTE/TD-LTE;
   
• Минимальные габаритные размеры, которые помогают разработчикам создавать компактные устройства для дома и офисных помещений;
   
• Готовое решение для совместного использования стандартов Wi-Fi и LTE в одном и том же устройстве;
   
• Уникальные возможности управления мощностью, позволяющие создавать высокопроизводительные точки доступа и базовые станции.

Эти фильтры также являются идеальным решением для достижения минимального перегрева устройств с поддержкой множества различных стандартов. Это имеет решающее значение для создания многофункциональных точек доступа для современных беспроводных сетей. Подробнее об этом можно прочитать в первой части данного цикла статей «Особенности создания Wi-Fi –устройств. Часть 1: тепловой режим работы».

Но почему именно BAW-фильтры имеют такое значение при работе на границах частотных диапазонов?

1. По сравнению с SAW-фильтрами BAW-фильтры обеспечивают меньший уровень потерь в полосе пропускания, более крутые срезы частотной характеристики и лучшую температурную стабильность

При переходе к более высоким частотам, например, при использовании Wi-Fi, уровень потерь в SAW-фильтрах (ПАВ-фильтры) возрастает из-за передачи части акустической энергии в подложку элемента. В то же время, как показано на Рисунке 6, по мере роста частоты высококачественные BAW-фильтры становятся все более эффективными и привлекательными. Кроме того, BAW-фильтры характеризуются крутыми срезами частотной характеристики, что крайне важно для обеспечения озвученных выше требований FCC. В то же время с помощью обычных SAW-фильтров решить эту проблему сложно.

Рис. 6.	Частотные характеристики BAW-фильтров.

BAW-фильтры также обладают лучшей температурной стабильностью, что обеспечивает им дополнительные преимущества при прохождении тестовых испытаний FCC. Большинство Wi-Fi-устройств работает при комнатной температуре 20-25 °C, но из-за саморазогрева температура внутри корпуса может подниматься до 60-80 °C. Так как потери возрастают по мере увеличения температуры, это может вызывать проблемы при сертификации продукта. Использование BAW-фильтров с высокой температурной стабильностью делает результаты сертификационных испытаний более предсказуемыми.

2. BAW-фильтры помогают уменьшить взаимное влияние соседних частотных диапазонов

Как показано на Рис. 7, использование BAW-фильтров позволяет решить проблему перекрытия частотных диапазонов без необходимости в уменьшении выходной мощности передатчиков. Это означает, что BAW-фильтры позволяют гораздо эффективнее использовать частотный диапазон и обеспечивать высокоскоростную передачу данных.

Рис. 7.	Сравнение мощности сигналов с использованием BAW-фильтров и без них.

3. Высокоэффективные High-Q BAW-фильтры могут расширить диапазон в каналах 1 и 11 в 2-3 раза

Обычно разработчикам Wi-Fi-устройств приходится устанавливать мощность всего устройства с учетом совместимости с другими беспроводными каналами. Таким образом, если допустимая мощность на канале 1 составляет 15 дБм, а мощность канала 6 достигает 23 дБм, то разработчик устанавливает мощность для всего устройства 15 дБм. Применение BAW-фильтров позволяет гораздо эффективнее использовать частотные диапазоны.

BAW-фильтры способны обеспечивать мощность передачи до 28 дБм. Это может повысить производительность системы более чем на 15 процентов и гарантировать работу 5G multi-MIMO с меньшим количеством перекрестных помех между каналами.

Если разработчики конечного оборудования не используют фильтрацию, у них возникают проблемы с выполнением требований FCC по каналам 1 и 11 Wi-Fi. Напротив, при использовании высокоэффективных High-Q BAW-фильтров удается поддерживать высокую мощность во всех каналах с 1 по 11.

В качестве итога можно сравнить результаты, получаемые при использовании BAW-фильтров и без них:

• Без фильтров. Предположим, вы находитесь в одном доме с другими людьми, использующими Wi-Fi и мобильные телефоны. Вначале вы подключены к Wi-Fi (канал 5) и смотрите трансляцию футбольного матча, не испытывая проблем с буферизацией или прерываниями. Но затем новые пользователи приходят в дом и начинают «захватывать» ваш 5 канал Wi-Fi. Точка доступа переключает вас на канал 1, чтобы освободить больше места на канале 5. Если в модуле Wi-Fi нет BAW-фильтров (Рис. 8а), то потоковая передача ухудшается и требует периодической буферизации (подгрузки). Почему? Потому что в соответствии с требованиями FCC, мощность канала 1 ограничена, чтобы не мешать расположенным «по соседству» диапазонам сотовой связи.
   
• С фильтрами. Если точка доступа использует BAW-фильтр (Рис. 8б), то мощность каналов 1 и 11 не будет ограничена. Вы сможете смотреть футбольную трансляцию без «тормозов».

Рис. 8.	Сравнение мощности сигналов с использованием BAW- фильтров и без них.

Посмотреть более подробно технические характеристики BAW-фильтров от компании Qorvo