正確測(cè)量無(wú)線通訊訊號(hào)及EMC分析

　　隨著過去十?dāng)?shù)年無(wú)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(wú)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(wú)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(shí)，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(hào)劣化、影響其正常運(yùn)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(duì)電磁輻射與RF（Radio Frequency）射頻的限制，但在面對(duì)不同通訊模塊彼此間可能產(chǎn)生相互干擾的這個(gè)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(diǎn)。

　　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(jì)成更加輕薄短小的體積，來符合行動(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)如何正確測(cè)量無(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)，透過點(diǎn)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(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)用戶來說，感受到的是「好不好用」的使用觀感；但對(duì)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(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，可說是在進(jìn)行建置設(shè)計(jì)時(shí)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(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，將所有可能的問題風(fēng)險(xiǎn)降至最低。

　　所謂載臺(tái)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(hào)都會(huì)打到面板，而面板所發(fā)出的噪聲也都會(huì)進(jìn)到天線中；同樣的，天線發(fā)出的電波也會(huì)影響到各個(gè)接口；而不同模塊各自所發(fā)出的訊號(hào)，也會(huì)成為彼此的噪聲，這就是所謂的載臺(tái)噪聲干擾。而當(dāng)這些的模塊、組件都在同時(shí)運(yùn)作，并且干擾無(wú)法被控制在一定限度之下時(shí)，便會(huì)產(chǎn)生“接收感度惡化”（Degradation of Sensitivity，De Sense）的現(xiàn)象，影響裝置無(wú)線效能的正常運(yùn)作。

　　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，歸納來說，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。

　　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。

　　在此必須強(qiáng)調(diào)一個(gè)觀念，那就是載臺(tái)噪聲的存在是不可避免的，我們不可能將噪聲降到零值，因?yàn)槟K必須透過系統(tǒng)供電，而模塊所放置的位置也會(huì)影響到鄰近其它模塊與接口，其中勢(shì)必會(huì)有噪聲的產(chǎn)生。不過載臺(tái)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(cè)噪聲、找出干擾源的原因。

　　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)噪聲的來源有哪些、以及個(gè)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(cè)方法，而這絕對(duì)是開發(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，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。舉例來說，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。

　　實(shí)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(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(duì)觸控面板的驗(yàn)證要點(diǎn)進(jìn)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(gè)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(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。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(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，也就是透過微幅降低觸控感應(yīng)的靈敏度，以換來載臺(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，必須透過對(duì)噪聲預(yù)算的控制，來觀察觸控面板對(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。