【導(dǎo)讀】隨著科技的騰飛，無線通訊技術(shù)已經(jīng)走進生活。無線通訊技術(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，必須要考慮到電磁干擾與電磁兼容問題。
近來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)計成更加輕薄短小的體積，來符合行動應(yīng)用的需求，這樣的狀況更使得產(chǎn)品要做到最佳化設(shè)計更為難上加難。要在極其狹小與精簡的空間中，建置更多不同的無線模塊與天線，這些組件彼此間勢必將更容易產(chǎn)生噪聲干擾、而影響到其傳輸表現(xiàn)，因為經(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，將介紹在無線通訊狀況下，應(yīng)如何正確量測無線通訊訊號及進行電磁兼容分析，希冀能與相關(guān)開發(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：載臺噪聲(Platform Noise)造成的接收感度惡化(De Sense)
首先，先來試想一般消費者在使用現(xiàn)在新式手持裝置(不論是智能型手機或是平板電腦)時的可能情境：消費者到了用餐時間，想尋找鄰近的餐廳，便可以拿出手機，透過點擊打開預(yù)先下載好的一款應(yīng)用程序，然后透過聲控方式，說出想選擇的料理種類，接著，應(yīng)用程序便會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)器進行解譯、用戶所在位置定位及搜尋，并將符合條件的選項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。
事實上，在這短短幾秒看似簡單的操作過程中，背后便包含了許多零組件的運作，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)透過消除背景雜音收訊以傳遞干凈的用戶聲訊、3G模塊的啟動、與鄰近基站的聯(lián)機能力、GPS定位系統(tǒng)的作用、服務(wù)器搜尋結(jié)果的回傳等等。雖然對用戶來說，感受到的是「好不好用」的使用觀感;但對開發(fā)者而言，卻必須從背后的機械結(jié)構(gòu)、組件選擇、軟硬件整合到通訊模塊一一詳加驗證，才能創(chuàng)造良好的使用經(jīng)驗、完整實現(xiàn)產(chǎn)品的使用目的。
因此，了解產(chǎn)品在整個通訊環(huán)境中所有可能產(chǎn)生電磁訊號的組件，可說是在進行建置設(shè)計時的一大重要前提。透過圖一，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產(chǎn)生電磁訊號，這些組件自行發(fā)出的訊號若是因設(shè)計不良而造成相互干擾，便可稱作載臺噪聲(Platform Noise)。這四類組件包括有系統(tǒng)平臺(如中央處理器、內(nèi)存、電源供應(yīng)器)、對內(nèi)對外的連接器耦合路徑(如各種傳輸接口像是USB、HDMI)、外購平臺模塊(如觸控屏幕、相機鏡頭模塊、固態(tài)硬盤及其它向廠商外購后進行組裝的組件)及無線芯片組/無線模塊(如Wi-Fi 802.11 a/b/g/n、Bluetooth、GPS)等，這四大類組件均需透過縝密的量測、計算，才能精確找出最佳的電路設(shè)計與妥善進行整體產(chǎn)品建置，避免彼此間的干擾，將所有可能的問題風(fēng)險降至最低。
圖1
譬如在同一個頻段中，當(dāng)A手機能夠接收1000個頻道的訊號，而B手機僅能接收到500個頻道，在實際感受上，用戶便會認(rèn)為B手機的收訊能力不佳。由于天線、濾波器、前置電路并不會在任一特定頻道中表現(xiàn)特別差，歸納來說，這便可能是因為B手機在設(shè)計時有未盡之處，而受到載臺噪聲的干擾，造成所謂的接收感度惡化。
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量測出載臺噪聲干擾的方法并不困難，可以選擇一個干凈無外界干擾的環(huán)境(如電磁波隔離箱)，透過單獨量測單一無線模塊接電路板作用的訊號吞吐量(Throughput)結(jié)果(如圖二的黃色線段)，以及量測該模塊建置于產(chǎn)品系統(tǒng)平臺之中作用的訊號吞吐量結(jié)果(如圖二的藍(lán)色線段)，兩者間進行比較，便會發(fā)現(xiàn)到作用于產(chǎn)品平臺中時明顯有訊號劣化情形。而兩者間路徑損失(Path Loss)的差異，便可視為載臺噪聲的干擾所致。
圖2
然而，要量測出載臺噪聲干擾并非難事，但若要驗證載臺噪聲的來源有哪些、以及個別來源造成的干擾程度，則需要非常復(fù)雜與細(xì)致的量測方法，而這絕對是開發(fā)者的一大挑戰(zhàn)。光是控制變因并對可能造成干擾的組件進行交叉量測，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，都可能因為訊號共存(Co-existence)、串音(Crosstalk)等狀況造成訊號損耗。如何透過正確的量測順序與手法、并將其間耗時的交叉量測加以自動化，以有效判斷主要噪聲源，便是其中的學(xué)問所在。
降低噪聲的首要重點：制定合理的噪聲預(yù)算(Noise Budget)以進行調(diào)變
在了解到載臺噪聲的干擾會造成接收感度惡化的情形，并且已知如何量測后，下一個重點就在設(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，在得知該無線通訊技術(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)相扣的驗證與修改。舉例來說，當(dāng)裝置的屏幕對天線接收造成干擾時，要進行調(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、LVDS接口等，甚至是天線的表面電流分布方式，都需要進行調(diào)變。從圖三簡略的圖示便可看出，影響無線裝置訊號接收能力的可變因素有許多，而彼此間均有牽一發(fā)而動全身的依存關(guān)系。因此，依據(jù)實際的載臺噪聲狀況，訂定出合理的噪聲預(yù)算，再據(jù)此進行調(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
實例說明：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)生的干擾問題也就越多，因此，確保其所造成的載臺噪聲能控制在噪聲預(yù)算內(nèi)，自然是驗證時的第一要務(wù)。根據(jù)百佳泰的驗證經(jīng)驗，目前在智能型手機及平板裝置中，約莫有60%的干擾問題都來自于觸控面板，其中又有70%是源于面板里的IC控制芯片，接下來我們就將針對觸控面板的驗證要點進行說明。
觸控面板顧名思義，就是具備觸控功能的面板，然而，觸控面板第一個所需要克服的干擾，不是來自同一裝置內(nèi)的其它模塊或接口，而是面板本身對觸控功能所產(chǎn)生的干擾。包括像是面板的像素電極(Pixel Electrode)、像素頻率(Pixel Clock)、儲存電容(Storage Capacitor)、逐線顯示(Line-by-Line Address)背光板模塊(Back Light Unit)等都會造成面板對觸控的干擾。
此時就要去量測觸控時的電壓，掃瞄并觀察在不同時間以及使用不同觸控點的電壓變化，以了解實際載臺噪聲的狀況，才能進行適當(dāng)?shù)恼{(diào)變。基本而言，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，這種低周期的頻率便非常容易造成對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，也就是透過微幅降低觸控感應(yīng)的靈敏度，以換來載臺噪聲降低;而在實際量測觀察時，除了需要透過精確的夾具與儀器外，也必須量測時域(而非頻率)，才能得到真正的錯誤率(BER)數(shù)據(jù)。
在量測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，就可以開始進行觸控面板對各種不同模塊的噪聲量測，圖四的觸控面板噪聲預(yù)算魚骨圖，就是我們根據(jù)經(jīng)驗歸納研究出的量測與驗證順序，必須透過對噪聲預(yù)算的控制，來觀察觸控面板對不同模塊的干擾狀況。在圖五的實際量測圖中，紅線部分便是我們設(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因不斷的開關(guān)而產(chǎn)生頻率干擾。舉例來說，當(dāng)邏輯閘產(chǎn)生約45MHz的干擾時，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,便會產(chǎn)生外部調(diào)變(External Modulation)而造成干擾;另一個例子則是藍(lán)牙受到邏輯閘的開關(guān)而使電流產(chǎn)生大小變化，這樣的外部調(diào)變使得訊號進入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行S-parameter分析取樣，確認(rèn)電腦仿真與實機測試的誤差值在容許范圍內(nèi)，以掌握噪聲傳導(dǎo)的狀況。才能不犧牲消費者的良好觸控經(jīng)驗，又能減少觸控面板對產(chǎn)品其它模塊及組件造成的干擾。
固態(tài)硬盤
新興的儲存媒介-固態(tài)硬盤(SSD)盡管受閃存的市場價格波動影響，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裝置中。然而，傳統(tǒng)磁盤式硬盤容易受到外來通訊狀況影響的情形(例如當(dāng)手機放在電腦硬盤旁接聽使用，有可能干擾到硬盤造成數(shù)據(jù)毀損)，也同樣出現(xiàn)在SSD上。
在SSD上的狀況時，SSD會隨著使用抹寫次數(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)過一萬次的抹寫使用后，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，而影響實際功能。在這個情境下，若能作到SSD的均勻抹寫，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自系統(tǒng)本身，而其它如通訊或相機等模塊等，也都同樣透過系統(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模塊在進行聯(lián)機上網(wǎng)(數(shù)據(jù)傳輸)時最為耗電，在所有這些通訊模塊開啟的同時，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，此時通訊模塊的電磁波，也可能同時直接打到面板上，造成嚴(yán)重的噪聲干擾。這時我們就必須回到前面的魚骨圖，依序進行不同模塊設(shè)定、位置建置、通訊環(huán)境的驗證。
精密量測驗證，才能有效提升通訊質(zhì)量，降低噪聲干擾
圖7
1. 傳導(dǎo)測試(Conductive Test)：
在驗證初始必須先透過傳導(dǎo)測試，精確量測出裝置本身的載臺噪聲、接收感度惡化情形、以及傳送與接受(Tx/Rx)時的載臺噪聲。
2. 電磁兼容性(Near Field EMC)：
在掌握了傳導(dǎo)測試所能取得的相關(guān)信息，并設(shè)定噪聲預(yù)算后，便可進行包括天線表面電流量測、噪聲電流分布量測及耦合路徑損失(Coupling Path Loss)的量測，以及相機、觸控面板的噪聲和射頻共存外部調(diào)變。
3. OTA測試(Over The Air Test)：
完成傳導(dǎo)與EMC測試后，便可針對不同通訊模塊進行獨立與共存的量測、總輻射功率(Total Radiation Power,TRP)與全向靈敏度(Total Isotropic Sensitivity,TIS)的量測、GPS載波噪聲比(C/N Ratio)的量測乃至DVB的接收靈敏度測試。
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