Alla costante crescita del mercato degli smartphone e dei tablet corrisponde un analogo aumento della richiesta di comunicazioni wireless sempre più veloci. L'esigenza di maggiori velocità di trasferimento dati proviene in particolare dal mondo dei giochi online e dagli utenti di telefoni cellulari che utilizzano le reti di comunicazioni wireless per eseguire lo streaming di contenuti multimediali sui loro dispositivi. Tutti i consumatori hanno spesso sperimentato i disagi legati alla lentezza della rete e a periodi di latenza particolarmente lunghi. Gli operatori di servizi telefonici hanno subito compreso le potenzialità, in termini di profitto, di questi servizi, e hanno continuato a investire nelle relative infrastrutture. L'aumento della velocità di trasferimento dati, a sua volta, richiede un approccio più efficiente alla gestione dello spettro disponibile al fine di ottimizzare sia la velocità sia il numero di utenti che possono eseguire download in contemporanea. La diminuzione della latenza assume quindi un'importanza pari a quella dell'aumento della velocità di trasferimento. Per molti operatori le attuali reti 2G e 3G stanno già raggiungendo i loro limiti per quel che concerne la velocità di trasferimento e la loro attenzione è rivolta a future tecnologie capaci di supportare l'aumento della velocità di trasmissione dati.
Introdotta nel 2010, la tecnologia Lte (Long Term Evolution) è in grado di assicurare maggiori velocità di trasferimento e latenze inferiori rispetto all'attuale tecnologia 3G. La tecnologia Lte sta per essere introdotta sul larga scala nelle reti cellulari di tutto il mondo. Caratterizzata da una velocità fino a 4 volte superiore rispetto a quella delle reti 3G Hspa+ (o reti 3.5G) e da una latenza molto ridotta (in misura pari a circa 1/5), la tecnologia Lte sembra destinata a un brillante futuro. L'incremento della velocità di trasferimento dati comporta un aumento della possibilità che il rumore elettromagnetico irradiato dal telefono cellulare penalizzi le prestazioni complessive. Perchè un telefono cellulare basato su Lte possa soddisfare i criteri in termini di prestazioni richieste è necessario individuare le sorgenti di rumore e attuare le procedure idonee per cercare di ridurre questo fenomeno. In questo articolo vengono esaminate le cause del rumore elettromagnetico all'interno di un telefono e indicate le procedure da adottare per cercare di ridurlo.
Le cause del rumore elettromagnetico
In primo luogo è quindi utile analizzare alcuni fattori che generano rumore all'interno di un telefono basato su Lte rispetto a un tradizionale cellulare 3G odierno. Uno dei primi elementi da prendere in considerazione è che è necessario affrontare il problema del rumore su un'ampia banda di frequenze. L'obiettivo dei produttori di handset cellulari è sviluppare un progetto singolo in grado di soddisfare le regole in vigore nel settore telecom sia su base regionale sia a livello dei singoli Paesi. Lte sarà utilizzato su diverse bande di frequenza che spaziano da 700 MHz fino a 2,6 GHz. Molto probabilmente verrà utilizzato anche in altre bande di frequenza nel momento in cui inizierà a scarseggiare lo spettro disponibile. Qualsiasi tecnica per la riduzione del rumore elettromagnetico dovrà dimostrarsi efficace in una banda di frequenza particolarmente ampia per consentire l'uso di un dispositivo Lte su scala mondiale. Per ottimizzare l'intensità del segnale disponibile e gestire percorsi di segnale multipli, negli handset basati su Lte verrà molto probabilmente adottata un'antenna di tipo Mimo (Multiple-Input, Multiple-Output). Un approccio di questo tipo, che prevede il ricorso a più antenne, si differenzia da quello tradizionalmente adottato nel settore delle comunicazioni wireless che contempla l'uso di una singola antenna per ricevere i segnali. Nell'implementazione delle tecniche di riduzione del rumore è indispensabile prendere in considerazione le esigenze di ogni singola antenna. Per meglio spiegare questo concetto si farà ricorso a un test case. Nella Fig. 2 viene riportata la configurazione (set-up) di un telefono utilizzata per misurare il rumore di accoppiamento per le antenne. Per questo test è stato impiegato uno smartphone Lte che utilizza la banda 13 (a 700 MHz). Come si può vedere dalla Fig. 2, l'analisi è stata effettuata interrompendo linea verso le antenna e collegando un cavo coassiale al lato antenna. Il cavo coassiale è stato connesso all'analizzatore di spettro attraverso un amplificatore di segnale al fine di osservare l'accoppiamento del rumore per le antenne. I risultati delle misure, riportati in Fig. 3, evidenziano il rumore a larga banda accoppiato sia all'antenna principale sia a quella secondaria. Questo rumore sembra compromettere il rapporto segnale/rumore (S/N) dei segnali ricevuti, influenzando in tal modo l'integrità della comunicazione. Successivamente, un'analisi della sorgente di rumore ha rilevato un alto livello di rumore sulle linee dati del cavo flessibile che collega lo schermo Lcd e il substrato principale. Al fine di determinare se questo rumore condotto è lo stesso del rumore di accoppiamento per le antenne, si è proceduto all'esame della variazione temporale dei rumori. I risultati dell'esame hanno evidenziato che i rumori hanno lo stesso periodo. Ne consegue che le linee dati dell'Lcd sono la sorgente di rumore che influenza l'integrità della comunicazione.
Una soluzione per sopprimere il rumore
Una volta identificata la sorgente del rumore, il passo successivo è stato quello di studiare una soluzione che permetta di sopprimere il rumore sulle linee dati.
Per questo motivo sulle linee dati che vanno dall'host all'Lcd è stato integrato il dispositivo NFA18SL227V1A45, un filtro combinato LC, sviluppato da Murata, per la soppressione del rumore. Questo componente è caratterizzato da una frequenza di taglio (cut-off frequency) nominale di 220 MHz con una corrente nominale di 25 mA e una tensione di 10 Vdc. Un filtro del tipo appena descritto permette di ridurre sensibilmente il rumore minimizzando nel contempo gli effetti sulle forme d'onda del segnale. Nel caso si prenda in considerazione un'altra banda di frequenza, è necessario scegliere altri componenti in grado di eliminare in maniera efficace il rumore su un'ampiezza di banda estesa. Una volta inserito il filtro per la soppressione del rumore si è proceduto a un nuovo esame del rumore di accoppiamento di antenna. I test condotti hanno messo in luce che l'impiego di filtri per la soppressione del rumore ha permesso di ridurre il rumore a un valore prossimo a quello del rumore di fondo. Inoltre è stato possibile osservare che grazie a questi filtri l'intensità del campo magnetico locale si è ridotta notevolmente e, inoltre, non sono stati riscontrati problemi per quel che riguarda l'integrità delle forme d'onda. Infine sono stati confrontati i dati ottenuti prima e dopo l'implementazione della soluzione per la soppressione del rumore per valutare il miglioramento dell'integrità della comunicazione nel dispositivo Lte.
Nella Fig. 5 sono riportati i risultati relativi a una misura Ota (Over-The-Air) del throughput e della sensibilità minima del ricevitore. Il sistema di misura utilizza una camera a riverbero per esaminare l'integrità della comunicazione che utilizza la tecnologia Mimo. I risultati delle misure hanno messo in evidenza che sia la sensibilità minima del ricevitore sia il “throughput” hanno fatto registrare sensibili miglioramenti. Utilizzando questo approccio, l'integrità della comunicazione può essere aumentata integrando nelle posizioni opportune un numero adeguato di componenti Emc allo scopo di ridurre il rumore. L'esempio illustrato in questo articolo evidenzia che una soluzione per la soppressione del rumore è indispensabile al fine di migliorare l'integrità della comunicazione: l'aspetto principale da tenere in considerazione è la collocazione del componente Emc nella posizione più appropriata. Val la pena sottolineare che anche in altre bande il rumore può essere ridotto selezionando un filtro in grado di eliminare in modo efficace il rumore in un'ampiezza di banda estesa - come il dispositivo Emc utilizzato in questo esempio - assicurando in tal modo il miglioramento dell'integrità della comunicazione.
