【導(dǎo)讀】隨著科技的騰飛，無(wú)線通訊技術(shù)已經(jīng)走進(jìn)生活。無(wú)線通訊技術(shù)雖然已經(jīng)發(fā)展成熟，但是迄今為止仍有很多的挑戰(zhàn)，比如在導(dǎo)入電子裝置和應(yīng)用領(lǐng)域時(shí)，必須要考慮到電磁干擾與電磁兼容問(wèn)題。
近來(lái)可攜式裝置的熱潮以及通訊功能的多元化，使得這些相關(guān)通訊模塊與天線，皆必須設(shè)計(jì)成更加輕薄短小的體積，來(lái)符合行動(dòng)應(yīng)用的需求，這樣的狀況更使得產(chǎn)品要做到最佳化設(shè)計(jì)更為難上加難。要在極其狹小與精簡(jiǎn)的空間中，建置更多不同的無(wú)線模塊與天線，這些組件彼此間勢(shì)必將更容易產(chǎn)生噪聲干擾、而影響到其傳輸表現(xiàn)，因?yàn)榻?jīng)常觀察到像是傳輸距離變短、傳輸速率降低等等不利于產(chǎn)品通訊性能的狀況。百佳泰(Allion Labs, Inc)在此文中，將介紹在無(wú)線通訊狀況下，應(yīng)如何正確量測(cè)無(wú)線通訊訊號(hào)及進(jìn)行電磁兼容分析，希冀能與相關(guān)開(kāi)發(fā)廠商相互切磋交流、提供技術(shù)上的參考。
復(fù)雜的通訊環(huán)境：載臺(tái)噪聲(Platform Noise)造成的接收感度惡化(De Sense)
首先，先來(lái)試想一般消費(fèi)者在使用現(xiàn)在新式手持裝置(不論是智能型手機(jī)或是平板電腦)時(shí)的可能情境：消費(fèi)者到了用餐時(shí)間，想尋找鄰近的餐廳，便可以拿出手機(jī)，透過(guò)點(diǎn)擊打開(kāi)預(yù)先下載好的一款應(yīng)用程序，然后透過(guò)聲控方式，說(shuō)出想選擇的料理種類，接著，應(yīng)用程序便會(huì)將接收到的的聲訊傳送至網(wǎng)絡(luò)上該應(yīng)用程序業(yè)者的服務(wù)器進(jìn)行解譯、用戶所在位置定位及搜尋，并將符合條件的選項(xiàng)乃至地圖顯示于屏幕上，用戶便能按圖索驥的找到合適的理想餐廳。
事實(shí)上，在這短短幾秒看似簡(jiǎn)單的操作過(guò)程中，背后便包含了許多零組件的運(yùn)作，包括像是觸控屏幕的感應(yīng)、產(chǎn)品(硬件)與用戶操作接口(軟件)的結(jié)合使用、麥克風(fēng)透過(guò)消除背景雜音收訊以傳遞干凈的用戶聲訊、3G模塊的啟動(dòng)、與鄰近基站的聯(lián)機(jī)能力、GPS定位系統(tǒng)的作用、服務(wù)器搜尋結(jié)果的回傳等等。雖然對(duì)用戶來(lái)說(shuō)，感受到的是「好不好用」的使用觀感;但對(duì)開(kāi)發(fā)者而言，卻必須從背后的機(jī)械結(jié)構(gòu)、組件選擇、軟硬件整合到通訊模塊一一詳加驗(yàn)證，才能創(chuàng)造良好的使用經(jīng)驗(yàn)、完整實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的使用目的。
因此，了解產(chǎn)品在整個(gè)通訊環(huán)境中所有可能產(chǎn)生電磁訊號(hào)的組件，可說(shuō)是在進(jìn)行建置設(shè)計(jì)時(shí)的一大重要前提。透過(guò)圖一，我們可以清楚看到，在目前一般新式裝置中主要有四大種類的組件會(huì)產(chǎn)生電磁訊號(hào)，這些組件自行發(fā)出的訊號(hào)若是因設(shè)計(jì)不良而造成相互干擾，便可稱作載臺(tái)噪聲(Platform Noise)。這四類組件包括有系統(tǒng)平臺(tái)(如中央處理器、內(nèi)存、電源供應(yīng)器)、對(duì)內(nèi)對(duì)外的連接器耦合路徑(如各種傳輸接口像是USB、HDMI)、外購(gòu)平臺(tái)模塊(如觸控屏幕、相機(jī)鏡頭模塊、固態(tài)硬盤(pán)及其它向廠商外購(gòu)后進(jìn)行組裝的組件)及無(wú)線芯片組/無(wú)線模塊(如Wi-Fi 802.11 a/b/g/n、Bluetooth、GPS)等，這四大類組件均需透過(guò)縝密的量測(cè)、計(jì)算，才能精確找出最佳的電路設(shè)計(jì)與妥善進(jìn)行整體產(chǎn)品建置，避免彼此間的干擾，將所有可能的問(wèn)題風(fēng)險(xiǎn)降至最低。
圖1
譬如在同一個(gè)頻段中，當(dāng)A手機(jī)能夠接收1000個(gè)頻道的訊號(hào)，而B(niǎo)手機(jī)僅能接收到500個(gè)頻道，在實(shí)際感受上，用戶便會(huì)認(rèn)為B手機(jī)的收訊能力不佳。由于天線、濾波器、前置電路并不會(huì)在任一特定頻道中表現(xiàn)特別差，歸納來(lái)說(shuō)，這便可能是因?yàn)锽手機(jī)在設(shè)計(jì)時(shí)有未盡之處，而受到載臺(tái)噪聲的干擾，造成所謂的接收感度惡化。
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量測(cè)出載臺(tái)噪聲干擾的方法并不困難，可以選擇一個(gè)干凈無(wú)外界干擾的環(huán)境(如電磁波隔離箱)，透過(guò)單獨(dú)量測(cè)單一無(wú)線模塊接電路板作用的訊號(hào)吞吐量(Throughput)結(jié)果(如圖二的黃色線段)，以及量測(cè)該模塊建置于產(chǎn)品系統(tǒng)平臺(tái)之中作用的訊號(hào)吞吐量結(jié)果(如圖二的藍(lán)色線段)，兩者間進(jìn)行比較，便會(huì)發(fā)現(xiàn)到作用于產(chǎn)品平臺(tái)中時(shí)明顯有訊號(hào)劣化情形。而兩者間路徑損失(Path Loss)的差異，便可視為載臺(tái)噪聲的干擾所致。
圖2
然而，要量測(cè)出載臺(tái)噪聲干擾并非難事，但若要驗(yàn)證載臺(tái)噪聲的來(lái)源有哪些、以及個(gè)別來(lái)源造成的干擾程度，則需要非常復(fù)雜與細(xì)致的量測(cè)方法，而這絕對(duì)是開(kāi)發(fā)者的一大挑戰(zhàn)。光是控制變因并對(duì)可能造成干擾的組件進(jìn)行交叉量測(cè)，彼此間便可以產(chǎn)生上千種組合，像是不同的通訊頻道間、Bluetooth與Wi-Fi、Wi-Fi與3G、3G與GPS等等，都可能因?yàn)橛嵦?hào)共存(Co-existence)、串音(Crosstalk)等狀況造成訊號(hào)損耗。如何透過(guò)正確的量測(cè)順序與手法、并將其間耗時(shí)的交叉量測(cè)加以自動(dòng)化，以有效判斷主要噪聲源，便是其中的學(xué)問(wèn)所在。
降低噪聲的首要重點(diǎn)：制定合理的噪聲預(yù)算(Noise Budget)以進(jìn)行調(diào)變
在了解到載臺(tái)噪聲的干擾會(huì)造成接收感度惡化的情形，并且已知如何量測(cè)后，下一個(gè)重點(diǎn)就在設(shè)定出裝置噪聲的許可值，也就是制訂出合理的噪聲預(yù)算(Noise Budget)，才能為裝置做出最適宜的調(diào)整。也就是說(shuō)，在得知該無(wú)線通訊技術(shù)可以如何解調(diào)(例如已知該3G模塊的惡化情形是可以透過(guò)GPS模塊解調(diào)的)，了解到噪聲大小與Eb/No(系統(tǒng)平均訊噪比)后，設(shè)定出合宜的噪聲容許值，才能進(jìn)行噪聲干擾的修正(而非消除)。
然而，這樣的修正并非單一組件的校正，而是需要一連串環(huán)環(huán)相扣的驗(yàn)證與修改。舉例來(lái)說(shuō)，當(dāng)裝置的屏幕對(duì)天線接收造成干擾時(shí)，要進(jìn)行調(diào)變的不只是面板本身，還包括了背后的顯示卡、輸入輸出功率、線路的設(shè)計(jì)、LVDS接口等，甚至是天線的表面電流分布方式，都需要進(jìn)行調(diào)變。從圖三簡(jiǎn)略的圖示便可看出，影響無(wú)線裝置訊號(hào)接收能力的可變因素有許多，而彼此間均有牽一發(fā)而動(dòng)全身的依存關(guān)系。因此，依據(jù)實(shí)際的載臺(tái)噪聲狀況，訂定出合理的噪聲預(yù)算，再據(jù)此進(jìn)行調(diào)變以降低噪聲，才是能有效提升產(chǎn)品質(zhì)量的關(guān)鍵。
圖3
實(shí)例說(shuō)明：最大干擾源--觸控面板
如前所述，觸控面板是各類以觸控為核心應(yīng)用的新式裝置中所占面積最大的組件，相應(yīng)產(chǎn)生的干擾問(wèn)題也就越多，因此，確保其所造成的載臺(tái)噪聲能控制在噪聲預(yù)算內(nèi)，自然是驗(yàn)證時(shí)的第一要?jiǎng)?wù)。根據(jù)百佳泰的驗(yàn)證經(jīng)驗(yàn)，目前在智能型手機(jī)及平板裝置中，約莫有60%的干擾問(wèn)題都來(lái)自于觸控面板，其中又有70%是源于面板里的IC控制芯片，接下來(lái)我們就將針對(duì)觸控面板的驗(yàn)證要點(diǎn)進(jìn)行說(shuō)明。
觸控面板顧名思義，就是具備觸控功能的面板，然而，觸控面板第一個(gè)所需要克服的干擾，不是來(lái)自同一裝置內(nèi)的其它模塊或接口，而是面板本身對(duì)觸控功能所產(chǎn)生的干擾。包括像是面板的像素電極(Pixel Electrode)、像素頻率(Pixel Clock)、儲(chǔ)存電容(Storage Capacitor)、逐線顯示(Line-by-Line Address)背光板模塊(Back Light Unit)等都會(huì)造成面板對(duì)觸控的干擾。
此時(shí)就要去量測(cè)觸控時(shí)的電壓，掃瞄并觀察在不同時(shí)間以及使用不同觸控點(diǎn)的電壓變化，以了解實(shí)際載臺(tái)噪聲的狀況，才能進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)變?；径?，觸控的掃瞄電壓約是100~200k,而屏幕的更新率則是五毫秒(ms)，以檢查所有觸控點(diǎn)，這種低周期的頻率便非常容易造成對(duì)GPS及SIM卡的干擾。因此，觸控面板必須提高電壓才能解決面板的干擾，也就是透過(guò)微幅降低觸控感應(yīng)的靈敏度，以換來(lái)載臺(tái)噪聲降低;而在實(shí)際量測(cè)觀察時(shí)，除了需要透過(guò)精確的夾具與儀器外，也必須量測(cè)時(shí)域(而非頻率)，才能得到真正的錯(cuò)誤率(BER)數(shù)據(jù)。
在量測(cè)出觸控面板本身的噪聲后，并設(shè)定出合理的噪聲預(yù)算值后，就可以開(kāi)始進(jìn)行觸控面板對(duì)各種不同模塊的噪聲量測(cè)，圖四的觸控面板噪聲預(yù)算魚(yú)骨圖，就是我們根據(jù)經(jīng)驗(yàn)歸納研究出的量測(cè)與驗(yàn)證順序，必須透過(guò)對(duì)噪聲預(yù)算的控制，來(lái)觀察觸控面板對(duì)不同模塊的干擾狀況。在圖五的實(shí)際量測(cè)圖中，紅線部分便是我們?cè)O(shè)定的噪聲預(yù)算值，而我們的目標(biāo)就是將噪聲值降低到紅線以下。
圖4
圖5
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線路邏輯閘
此外，觸控面板接有許多的線路，這些線路的邏輯閘都會(huì)因不斷的開(kāi)關(guān)而產(chǎn)生頻率干擾。舉例來(lái)說(shuō)，當(dāng)邏輯閘產(chǎn)生約45MHz的干擾時(shí)，像GSM 850(869-896 MHz)跟GSM 900(925-960 MHz)間的發(fā)射接收頻率差距小于45MHz,便會(huì)產(chǎn)生外部調(diào)變(External Modulation)而造成干擾;另一個(gè)例子則是藍(lán)牙受到邏輯閘的開(kāi)關(guān)而使電流產(chǎn)生大小變化，這樣的外部調(diào)變使得訊號(hào)進(jìn)入GSM1800、GSM1900的頻譜而產(chǎn)生干擾。
因此，我們必須使用頻域模擬法進(jìn)行S-parameter分析取樣，確認(rèn)電腦仿真與實(shí)機(jī)測(cè)試的誤差值在容許范圍內(nèi)，以掌握噪聲傳導(dǎo)的狀況。才能不犧牲消費(fèi)者的良好觸控經(jīng)驗(yàn)，又能減少觸控面板對(duì)產(chǎn)品其它模塊及組件造成的干擾。
固態(tài)硬盤(pán)
新興的儲(chǔ)存媒介-固態(tài)硬盤(pán)(SSD)盡管受閃存的市場(chǎng)價(jià)格波動(dòng)影響，而在成本上仍居高不下，但因其體積輕薄與低功耗的特性，已被廣泛應(yīng)用在平板電腦及其它形式的行動(dòng)裝置中。然而，傳統(tǒng)磁盤(pán)式硬盤(pán)容易受到外來(lái)通訊狀況影響的情形(例如當(dāng)手機(jī)放在電腦硬盤(pán)旁接聽(tīng)使用，有可能干擾到硬盤(pán)造成數(shù)據(jù)毀損)，也同樣出現(xiàn)在SSD上。
在SSD上的狀況時(shí)，SSD會(huì)隨著使用抹寫(xiě)次數(shù)(P/E Cycle)的增加，而使得其噪聲容限(Noise Margin)隨之降低，就如圖七所示，經(jīng)過(guò)一萬(wàn)次的抹寫(xiě)使用后，噪聲容限就產(chǎn)生了明顯的惡化，而更容易受到觸控面板或其它噪聲源的干擾，而影響實(shí)際功能。在這個(gè)情境下，若能作到SSD的均勻抹寫(xiě)，便是有效緩和噪聲容限下降速率的方法之一。
圖6
觸控面板所使用的電來(lái)自系統(tǒng)本身，而其它如通訊或相機(jī)等模塊等，也都同樣透過(guò)系統(tǒng)供電，因此，電壓的穩(wěn)定與充足便是使這些組件模塊能良好運(yùn)作的關(guān)鍵所在。在所有需要使用電源的模塊中，其中尤以3G或Wi-Fi模塊在進(jìn)行聯(lián)機(jī)上網(wǎng)(數(shù)據(jù)傳輸)時(shí)最為耗電，在所有這些通訊模塊開(kāi)啟的同時(shí)，就很可能造成電壓不足，而影響到觸控面板的穩(wěn)定吃電;另外，此時(shí)通訊模塊的電磁波，也可能同時(shí)直接打到面板上，造成嚴(yán)重的噪聲干擾。這時(shí)我們就必須回到前面的魚(yú)骨圖，依序進(jìn)行不同模塊設(shè)定、位置建置、通訊環(huán)境的驗(yàn)證。
精密量測(cè)驗(yàn)證，才能有效提升通訊質(zhì)量，降低噪聲干擾
圖7
1. 傳導(dǎo)測(cè)試(Conductive Test)：
在驗(yàn)證初始必須先透過(guò)傳導(dǎo)測(cè)試，精確量測(cè)出裝置本身的載臺(tái)噪聲、接收感度惡化情形、以及傳送與接受(Tx/Rx)時(shí)的載臺(tái)噪聲。
2. 電磁兼容性(Near Field EMC)：
在掌握了傳導(dǎo)測(cè)試所能取得的相關(guān)信息，并設(shè)定噪聲預(yù)算后，便可進(jìn)行包括天線表面電流量測(cè)、噪聲電流分布量測(cè)及耦合路徑損失(Coupling Path Loss)的量測(cè)，以及相機(jī)、觸控面板的噪聲和射頻共存外部調(diào)變。
3. OTA測(cè)試(Over The Air Test)：
完成傳導(dǎo)與EMC測(cè)試后，便可針對(duì)不同通訊模塊進(jìn)行獨(dú)立與共存的量測(cè)、總輻射功率(Total Radiation Power,TRP)與全向靈敏度(Total Isotropic Sensitivity,TIS)的量測(cè)、GPS載波噪聲比(C/N Ratio)的量測(cè)乃至DVB的接收靈敏度測(cè)試。
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