【導讀】隨著(zhù)科技的騰飛，無(wú)線(xiàn)通訊技術(shù)已經(jīng)走進(jìn)生活。無(wú)線(xiàn)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，比如在導入電子裝置和應用領(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(xiàn)，皆必須設計成更加輕薄短小的體積，來(lái)符合行動(dòng)應用的需求，這樣的狀況更使得產(chǎn)品要做到最佳化設計更為難上加難。要在極其狹小與精簡(jiǎn)的空間中，建置更多不同的無(wú)線(xiàn)模塊與天線(xiàn)，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，因為經(jīng)常觀(guān)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(xiàn)通訊狀況下，應如何正確量測無(wú)線(xiàn)通訊訊號及進(jìn)行電磁兼容分析，希冀能與相關(guān)開(kāi)發(fā)廠(chǎng)商相互切磋交流、提供技術(shù)上的參考。
復雜的通訊環(huán)境：載臺噪聲(Platform Noise)造成的接收感度惡化(De Sense)
首先，先來(lái)試想一般消費者在使用現在新式手持裝置(不論是智能型手機或是平板電腦)時(shí)的可能情境：消費者到了用餐時(shí)間，想尋找鄰近的餐廳，便可以拿出手機，透過(guò)點(diǎn)擊打開(kāi)預先下載好的一款應用程序，然后透過(guò)聲控方式，說(shuō)出想選擇的料理種類(lèi)，接著(zhù)，應用程序便會(huì )將接收到的的聲訊傳送至網(wǎng)絡(luò )上該應用程序業(yè)者的服務(wù)器進(jìn)行解譯、用戶(hù)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(hù)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作，包括像是觸控屏幕的感應、產(chǎn)品(硬件)與用戶(hù)操作接口(軟件)的結合使用、麥克風(fēng)透過(guò)消除背景雜音收訊以傳遞干凈的用戶(hù)聲訊、3G模塊的啟動(dòng)、與鄰近基站的聯(lián)機能力、GPS定位系統的作用、服務(wù)器搜尋結果的回傳等等。雖然對用戶(hù)來(lái)說(shuō)，感受到的是「好不好用」的使用觀(guān)感;但對開(kāi)發(fā)者而言，卻必須從背后的機械結構、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(shí)現產(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)生電磁訊號的組件，可說(shuō)是在進(jìn)行建置設計時(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(lèi)的組件會(huì )產(chǎn)生電磁訊號，這些組件自行發(fā)出的訊號若是因設計不良而造成相互干擾，便可稱(chēng)作載臺噪聲(Platform Noise)。這四類(lèi)組件包括有系統平臺(如中央處理器、內存、電源供應器)、對內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(pán)及其它向廠(chǎng)商外購后進(jìn)行組裝的組件)及無(wú)線(xiàn)芯片組/無(wú)線(xiàn)模塊(如Wi-Fi 802.11 a/b/g/n、Bluetooth、GPS)等，這四大類(lèi)組件均需透過(guò)縝密的量測、計算，才能精確找出最佳的電路設計與妥善進(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)險降至最低。
圖1
譬如在同一個(gè)頻段中，當A手機能夠接收1000個(gè)頻道的訊號，而B(niǎo)手機僅能接收到500個(gè)頻道，在實(shí)際感受上，用戶(hù)便會(huì )認為B手機的收訊能力不佳。由于天線(xiàn)、濾波器、前置電路并不會(huì )在任一特定頻道中表現特別差，歸納來(lái)說(shuō)，這便可能是因為B手機在設計時(shí)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(gè)干凈無(wú)外界干擾的環(huán)境(如電磁波隔離箱)，透過(guò)單獨量測單一無(wú)線(xiàn)模塊接電路板作用的訊號吞吐量(Throughput)結果(如圖二的黃色線(xiàn)段)，以及量測該模塊建置于產(chǎn)品系統平臺之中作用的訊號吞吐量結果(如圖二的藍色線(xiàn)段)，兩者間進(jìn)行比較，便會(huì )發(fā)現到作用于產(chǎn)品平臺中時(shí)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(lái)源有哪些、以及個(gè)別來(lái)源造成的干擾程度，則需要非常復雜與細致的量測方法，而這絕對是開(kāi)發(fā)者的一大挑戰。光是控制變因并對可能造成干擾的組件進(jìn)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(guò)正確的量測順序與手法、并將其間耗時(shí)的交叉量測加以自動(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)：制定合理的噪聲預算(Noise Budget)以進(jìn)行調變
在了解到載臺噪聲的干擾會(huì )造成接收感度惡化的情形，并且已知如何量測后，下一個(gè)重點(diǎn)就在設定出裝置噪聲的許可值，也就是制訂出合理的噪聲預算(Noise Budget)，才能為裝置做出最適宜的調整。也就是說(shuō)，在得知該無(wú)線(xiàn)通訊技術(shù)可以如何解調(例如已知該3G模塊的惡化情形是可以透過(guò)GPS模塊解調的)，了解到噪聲大小與Eb/No(系統平均訊噪比)后，設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)相扣的驗證與修改。舉例來(lái)說(shuō)，當裝置的屏幕對天線(xiàn)接收造成干擾時(shí)，要進(jìn)行調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(xiàn)路的設計、LVDS接口等，甚至是天線(xiàn)的表面電流分布方式，都需要進(jìn)行調變。從圖三簡(jiǎn)略的圖示便可看出，影響無(wú)線(xiàn)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(dòng)全身的依存關(guān)系。因此，依據實(shí)際的載臺噪聲狀況，訂定出合理的噪聲預算，再據此進(jìn)行調變以降低噪聲，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(lèi)以觸控為核心應用的新式裝置中所占面積最大的組件，相應產(chǎn)生的干擾問(wèn)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算內，自然是驗證時(shí)的第一要務(wù)。根據百佳泰的驗證經(jīng)驗，目前在智能型手機及平板裝置中，約莫有60%的干擾問(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)我們就將針對觸控面板的驗證要點(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(xiàn)顯示(Line-by-Line Address)背光板模塊(Back Light Unit)等都會(huì )造成面板對觸控的干擾。
此時(shí)就要去量測觸控時(shí)的電壓，掃瞄并觀(guān)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)際載臺噪聲的狀況，才能進(jìn)行適當的調變?；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)微幅降低觸控感應的靈敏度，以換來(lái)載臺噪聲降低;而在實(shí)際量測觀(guān)察時(shí)，除了需要透過(guò)精確的夾具與儀器外，也必須量測時(shí)域(而非頻率)，才能得到真正的錯誤率(BER)數據。
在量測出觸控面板本身的噪聲后，并設定出合理的噪聲預算值后，就可以開(kāi)始進(jìn)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算魚(yú)骨圖，就是我們根據經(jīng)驗歸納研究出的量測與驗證順序，必須透過(guò)對噪聲預算的控制，來(lái)觀(guān)察觸控面板對不同模塊的干擾狀況。在圖五的實(shí)際量測圖中，紅線(xiàn)部分便是我們設定的噪聲預算值，而我們的目標就是將噪聲值降低到紅線(xiàn)以下。
圖4
圖5
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線(xiàn)路邏輯閘
此外，觸控面板接有許多的線(xiàn)路，這些線(xiàn)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)生外部調變(External Modulation)而造成干擾;另一個(gè)例子則是藍牙受到邏輯閘的開(kāi)關(guān)而使電流產(chǎn)生大小變化，這樣的外部調變使得訊號進(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，確認電腦仿真與實(shí)機測試的誤差值在容許范圍內，以掌握噪聲傳導的狀況。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(pán)
新興的儲存媒介-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，已被廣泛應用在平板電腦及其它形式的行動(dòng)裝置中。然而，傳統磁盤(pán)式硬盤(pán)容易受到外來(lái)通訊狀況影響的情形(例如當手機放在電腦硬盤(pán)旁接聽(tīng)使用，有可能干擾到硬盤(pán)造成數據毀損)，也同樣出現在SSD上。
在SSD上的狀況時(shí)，SSD會(huì )隨著(zhù)使用抹寫(xiě)次數(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)自系統本身，而其它如通訊或相機等模塊等，也都同樣透過(guò)系統供電，因此，電壓的穩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(jìn)行聯(lián)機上網(wǎng)(數據傳輸)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. 傳導測試(Conductive Test)：
在驗證初始必須先透過(guò)傳導測試，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(shí)的載臺噪聲。
2. 電磁兼容性(Near Field EMC)：
在掌握了傳導測試所能取得的相關(guān)信息，并設定噪聲預算后，便可進(jìn)行包括天線(xiàn)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變。
3. OTA測試(Over The Air Test)：
完成傳導與EMC測試后，便可針對不同通訊模塊進(jìn)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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