СПОСОБ И СИСТЕМА ДЛЯ ПОДАВЛЕНИЯ ПОМЕХ В МОБИЛЬНОМ УСТРОЙСТВЕ
METHOD AND SYSTEM FOR SUPPRESSING INTERFERENCE IN MOBILE DEVICE

Настоящее изобретение относится к телекоммуникационным технологиям, а более конкретно к способам и устройствам для подавления нежелательных сигналов, т.е. электромагнитных помех.
Постоянно растущая потребность в скорости передачи больших объемов информации приводит к созданию новых стандартов, требующих уплотнения спектра и увеличения тактовой частоты в устройствах. Это приводит к возникновению большого количества помех, проникающих в каналы приемников, и существенному снижению чувствительности приема. Так, например, в настоящее время бурно развивается перспективный широкополосный стандарт. В процессе работы приемопередающих модулей мобильных устройств и в процессе преобразования и излучения сигнала возникают электромагнитные помехи. Спектр такой электромагнитной помехи может попадать на рабочие диапазоны других приемопередающих модулей и тем самым значительно ухудшать их качество работы.
Одной из основных проблем в беспроводных системах связи являются электромагнитные помехи (ЭМП). Беспроводные системы связи передают и принимают электромагнитные сигналы для обмена данными. Примеры таких систем включают мобильные телефоны, беспроводные сети данных и системы глобального позиционирования. ЭМП могут стать проблемой при размещении высокоскоростных шин данных вблизи приемника. В отдельных случаях, высокоскоростные сигналы могут вызывать распространение помех, и когда такие сигналы проходят в непосредственной близости к приемнику, приемник может принять нежелательные электромагнитные помехи вместе с полезным сигналом, называемым искаженным сигналом. Сигнал, который наводит электромагнитную помеху, может быть определен как «искажающий» сигнал. Таким образом, ЭМП ухудшают полезный сигнал и ослабляют качество радиоприемника. Типичные источники помех могут находиться в высокоскоростной шине данных, передающей данные от процессора на дисплей высокого разрешения, и в высокоскоростной шине, передающей данные из сенсора изображения к процессору.
ЭМП могут также стать серьезной проблемой, если два или более беспроводных сервиса работают на одном устройстве. Также малая часть излучаемого сигнала одного сервиса может приниматься вторым как помеха.
Один из известных способов активного нахождения электромагнитных помех включает в себя получение образца искажающего сигнала, его преобразование и генерацию компенсационного сигнала помехи. Схема подавления вычитает компенсационный сигнал помехи из принятого искаженного сигнала (искаженного помехой) и выдает скорректированный сигнал с компенсированной помехой.
Систему компенсации электромагнитной помехи обычно располагают вблизи источника или источников электромагнитных помех. Для мобильного решения система компенсации помехи должна быть совместимой с архитектурой мобильного устройства и иметь компактную структуру.
В настоящий момент известно много различных способов подавления помех.
В патенте США № 8005430 [1] раскрывается способ подавления помехи, состоящий из нескольких шагов:
- прием коммуникационного сигнала с электромагнитной помехой на приемник сотового устройства;
- генерация компенсационного сигнала электромагнитной помехи из принятого сигнала и подавление этой электромагнитной помехи, причем сигнал электромагнитных помех снимается с шлейфа передачи данных электромагнитным сенсором.
В патенте США № 7729431 [2] раскрывается способ и устройство для подавления помех в беспроводном устройстве связи, причем устройство подавляет помехи, формируя на антенне компенсационный сигнал. Устройство подавления помех может содержать фрагмент перекрестных эффектов.
В заявке на патент США № 2010/0296561 [3] раскрывается способ подавления помех для беспроводного модема и беспроводной модем, обеспечивающий подавление помех.
В заявке на патент США № 2010/0074315 [4] описывается детектор помех, предназначенный для применения в портативных электронных устройствах, и система для приема и подавления помехи. Детектор может принимать электромагнитные помехи и сигнал передатчика. В одном корпусе детектор содержит нагрузку, где антенная часть включает в себя секции меандра различной длины и/или ширины; и схему согласования, соединенную с антенной частью.
Общим недостатком известных из уровня техники решений является относительно невысокая чувствительность приемных устройств, связанная с наличием заметных остаточных помех. Кроме того, известные решения не позволяют добиться высокой степени миниатюризации устройства для подавления помех.
Задача, на решение которой направлено заявляемое изобретение, состоит в том, чтобы разработать компактное устройство подавления ЭМП, основанное на усовершенствованном способе подавления, который обеспечивал бы возможность использования приемных устройств с повышенной чувствительностью.
Технический результат достигается за счет разработки усовершенствованного способа подавления помех, наводимых на основную антенну в мобильном устройстве, который заключается в том, что компенсируют помехи при помощи системы компенсации помех, при этом способ предусматривает выполнение следующих операций:
располагают вспомогательную антенну, способную улавливать помехи в той же степени, что и основная антенна, непосредственно вблизи основной антенны на расстоянии не более λ/36 от точки запитки основной антенны;
выбирают размер и тип вспомогательной антенны такими, чтобы разница в приеме внешних сигналов основной антенной и вспомогательной антенной на рабочей частоте не превышала 10 Дб;
согласуют вспомогательную антенну на прием нежелательных электромагнитных помех в отсутствие приема основного сигнала.
Кроме того, технический результат достигается также за счет усовершенствованной системы подавления помех, наводимых на основную антенну в мобильном устройстве, причем такая система выполнена на основе схемы компенсации помех и включает в себя основную антенну и вспомогательную антенну, размещенные на чипе вместе со схемой управления и предусмотренными выводами для подстройки схемы, и отличается тем, что упомянутая вспомогательная антенна, согласованная на прием электромагнитных помех в отсутствие приема основного сигнала и способная улавливать электромагнитные помехи в той же степени, что и основная антенна, расположена непосредственно вблизи основной антенны на расстоянии не более λ/36 от точки запитки основной антенны и имеет такой размер и тип, чтобы разница в приеме внешних сигналов основной антенной и вспомогательной антенной на рабочей частоте не превышала 10 дБ.
Таки образом, заявляемый способ и система позволяют существенно подавить нежелательные помехи и шумы, возникающие внутри мобильного устройства путем применения двух каналов приема, расположенных оптимальным образом.
Основные преимущества заявляемого изобретения по сравнению с аналогами, приведенными выше, заключается в том, что в непосредственной близости от основной антенны (OA) размещают вспомогательную антенну (ВА), способную улавливать помехи. Это позволяет улучшить чувствительность приема по меньшей мере на 5 дБ.
Кроме того, заявляемое изобретение позволяет добиться и других улучшений:
1. Улучшение приема приемника за счет улучшения характеристик антенны.
2. Миниатюризация и компактное размещение антенной системы.
3. Уменьшение электромагнитных помех с входа приемника.
Уменьшение влияния помех на рабочей частоте OA осуществляется за счет функционирования ВА, улавливающей помехи в той же степени, что и OA. Для реализации подавления электромагнитной помехи в канале на заданной частоте требуется обеспечить максимальное соответствие принимаемых антеннами сигналов по фазе и амплитуде. Остаточная разница между сигналами компенсируется при помощи фиксированной подстройки схемы компенсации, которая может быть реализована одним чипом. Таким образом, необходимо определить следующие параметры ВА:
положение ВА относительно OA;
геометрические характеристики ВА;
антенные характеристики.
На базе заявляемого способа разработана система подавления помех.
Для лучшего понимания изобретения далее приводится детальное описание сущности изобретения со ссылками на чертежи, на которых показано следующее.
Фиг. 1 - блок-схема изобретения;
Фиг. 2 - пример на основе GPS антенны;
Фиг. 3 - спектр сигналов до подавления помех и после;
Фиг. 4 - модель размещения OA и ВА в мобильном устройстве.
В заявляемом изобретении применена, с некоторыми модификациями, известная из уровня техники схема подавления помех (см. фиг. 1). Принцип работы указанной схемы следующий.
Основная антенна 1 согласуется с линией передачи трансимпедансным усилителем 3. Выход трансимпедансного усилителя 3 соединен с первым входом сумматора 5. Основная антенна 1 принимает как полезный сигнал, так и электромагнитную помеху. Сигнал и электромагнитная помеха усиливаются трансимпедансным усилителем 3 и подаются через линию передачи на первый вход сумматора 5.
Вспомогательная антенна 2 согласована трансимпедансным усилителем 4 так, чтобы принимать только помехи. Далее, выход трансимпедансного усилителя 4 соединен с входом фазовращателя 6. В свою очередь, выход фазовращателя 6 соединен со вторым входом сумматора 5. Вспомогательная антенна 2 принимает помехи и через трансимпедансный усилитель 4 подает сигнал на вход фазовращателя 6. Затем фазовращатель 6 сдвигает принятые электромагнитные помехи по фазе на 180 градусов и передает их на второй вход сумматора 5.
Таким образом, в результате сложения электромагнитная помеха вычитается из сигнала, принятого основной антенной, и подается на приемник 7.
Основной особенностью заявляемого способа подавления помех в канале на заданной рабочей частоте является определение положения ВА 2 в мобильном устройстве. Положение ВА 2 определяется фазовой ошибкой Δφ между сигналами, принятыми OA 1 и ВА 2. Для корректной работы схемы вычитания (компенсации) помех допустимой является фазовая ошибка в Δφ=10°. Таким образом, при ее пересчете в длины волн получаем, что ВА 2 должна находиться на расстоянии не более Δl=Δφ·λ/360°=10°·λ/360°=λ/36 от точки запитки OA 1.
Для максимально эффективной компенсации помех ВА 2 должна хорошо принимать помехи на заданной частоте и при этом не оказывать влияния на работу OA 1. Необходимо добиться развязки между OA 1 и ВА 2 не более -10 дБ. Разница в приеме внешних сигналов этими антеннами на рабочей частоте также не должна превышать 10 дБ. Это можно обеспечить путем подбора соответствующего электрического размера и типа ВА 2.
Было установлено, что в случае использования в качестве ВА 2 квадратной печатной спиральной антенны ее размеры, удовлетворяющие данным требованиям, составляют ~0,025λ и могут варьироваться в зависимости от ее высоты над РСВ (печатной платой), толщины линии и количества витков. При увеличении размеров ВА 2 улучшается ее настройка на прием помех, однако при этом развязка с OA 1 становится неприемлемо малой. При уменьшении размеров разница в приеме помех OA 1 и ВА 2 становится больше 10 дБ, что повлияет на точность их компенсации.
На базе заявляемого способа реализуется система подавления помех, состоящая из упомянутых выше компонентов в интегральном исполнении. В этом случае OA 1 и ВА 2 размещают на чипе вместе со схемой управления и предусматривают выводы для подстройки схемы.
На примере, показанном на фиг. 2, 3 (вид 3.1 и вид 3.2), 4 рассмотрим работу заявляемого способа.
Антенны 8 GPS и антенна 10 LTE располагаются на одной стороне платы 15 мобильного устройства. Также на плате расположены источники помех 11, 12, 14, 16, 17. Сигнал, спектр 18 которого показан на фиг. 3 (вид 3.1), излучается с антенны 10 LTE, принимается и переизлучается источниками помех 11, 12, 14, 16, 17. Переизлученный спектр сигнала складывается со спектром 21 принятого сигнала GPS спутников и тем самым уменьшает качество приема GPS антенны 8 GPS.
Для подавления помехи необходимо из спектра 18 и спектра 21 принятого сигнала вычесть спектры 19 и 20 помехового сигнала (здесь 19 - спектр сигнала второй гармоники LTE принятой вспомогательной антенной, 20 - спектр сигнала, принятого со спутника GPS вспомогательной антенной, как поясняется ниже). Для этого вблизи основной антенны 8 GPS устанавливают вспомогательную антенну 9 и настраивают на прием сигнала помехи, исходящей от LTE антенны 10, а также помех от других источников 11, 12, 14, 16, 17, распространяющихся, в основном, по печатной плате 15. Вспомогательная антенна 9 выполняется таких размеров, что обеспечивает прием только сигнала помех, излученного источниками помех 11, 12, 14, 16, 17 из ближнего поля (спектр 19) и сигнала GPS спутников в виде спектра 20. По описанному выше способу подавления помех, принятые вспомогательной антенной 9 сигналы помех 19, 20 вычитаются из сигналов 18, 21, принятых GPS антенной 8. Результат вычитания показан на фиг. 3 (вид 3.2), где спектр сигнала 22 и 23 подается на вход GPS приемника 13. Спектры сигналов 22, 23 показывают, что в диапазоне частот GPS приемника ЭМП от источников электромагнитных помех подавлены.
На фиг. 4 представлена трехмерная модель размещения OA и ВА в мобильном устройстве.
Заявляемый способ позволяет уменьшить размеры основной антенны без заметного ухудшения характеристик антенны. При этом антенна, выполненная по этому способу, может быть изготовлена из простых и дешевых материалов.
Изобретение может быть использовано в мобильных устройствах, таких как телефоны, планшетные ПК или ноутбуки. При этом уменьшается пространство, занимаемое основной антенной.