通過觸控屏談無線通訊的噪聲干擾與驗證要點

　　來源：Allion Labs公司

　　隨著過去十?dāng)?shù)年無線通訊技術(shù)的快速發(fā)展與規(guī)格的不斷進(jìn)化，各種不同的無線技術(shù)不論是GSM、GPS、WLAN（如Wi-Fi）、Bluetooth等都開始逐漸出現(xiàn)、并普及于日常生活中。

　　無線通訊技術(shù)本身即已博大精深，而在導(dǎo)入至各式電子裝置與應(yīng)用領(lǐng)域時，更必須考慮到電磁干擾（Electromagnetic Interference，即一般通稱的EMI）與電磁兼容（Electromagnetic Compatibility，EMC）的問題，以避免相關(guān)功能受到干擾而產(chǎn)生訊號劣化、影響其正常運作。然而，盡管世界各地已紛紛立法建立相關(guān)的電磁規(guī)范，關(guān)注于對電磁輻射與RF（Radio Frequency）射頻的限制，但在面對不同通訊模塊彼此間可能產(chǎn)生相互干擾的這個狀況下，卻難以有一套固定的標(biāo)準(zhǔn)，去預(yù)防或解決相關(guān)難題，這也因此成為各產(chǎn)品開發(fā)商最需加以克服的重點。

　　除此之外，加上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(jìn)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(jī)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(jī)，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(jìn)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(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(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(jìn)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(jī)鏡頭模塊、固態(tài)硬盤及其它向廠商外購后進(jìn)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(jìn)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。

　　所謂載臺噪聲的干擾（Platform Noise Interference）是指什么呢？舉例而言，面板是目前所有操控裝置的最大組件，而裝置內(nèi)天線所發(fā)射的任何訊號都會打到面板，而面板所發(fā)出的噪聲也都會進(jìn)到天線中；同樣的，天線發(fā)出的電波也會影響到各個接口；而不同模塊各自所發(fā)出的訊號，也會成為彼此的噪聲，這就是所謂的載臺噪聲干擾。而當(dāng)這些的模塊、組件都在同時運作，并且干擾無法被控制在一定限度之下時，便會產(chǎn)生「接收感度惡化」（Degradation of Sensitivity，De Sense）的現(xiàn)象，影響裝置無線效能的正常運作。

　　譬如在同一個頻段中，當(dāng)A手機(jī)能夠接收1000個頻道的訊號，而B手機(jī)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(jī)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(jī)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。

　　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(jìn)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。

　　在此必須強(qiáng)調(diào)一個觀念，那就是載臺噪聲的存在是不可避免的，我們不可能將噪聲降到零值，因為模塊必須透過系統(tǒng)供電，而模塊所放置的位置也會影響到鄰近其它模塊與接口，其中勢必會有噪聲的產(chǎn)生。不過載臺噪聲的存在雖然不可避免，卻可以設(shè)法讓其干擾降到最低、而不致影響通訊表現(xiàn)的程度，這也就是為什么我們要去量測噪聲、找出干擾源的原因。

　　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(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(jìn)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(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。舉例來說，當(dāng)裝置的屏幕對天線接收造成干擾時，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、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(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。