正確測量無線通訊訊號及EMC分析 - 全文

　　隨著過去十數(shù)年無線通訊技術(shù)的快速發(fā)展與規(guī)格的不斷進化，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準，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)如何正確測量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。

　　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。

　　在此必須強調(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。

　　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?shù)恼{(diào)變?；径裕|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，而我們的目標就是將噪聲值降低到紅線以下。

　　以下我們便來探討幾個與觸控面板相關(guān)的干擾實例：

　　●LVDS

　　目前許多新規(guī)裝置如平板電腦或Ultrabook在設(shè)計面板顯示的訊號傳輸時，都會采取所謂的LVDS進行傳導，LVDS也就是低電壓差動訊號（Low Voltage Differential Signaling），是一種可滿足高效能且低電壓數(shù)據(jù)傳輸應(yīng)用需求的技術(shù)。然而在實際應(yīng)用上，這些訊號也許可能部分進入如3G等行動通訊頻段，而產(chǎn)生很大的地面電容不平衡（Ground Capacitance Unbalance）電流、并致使干擾。然而，傳統(tǒng)的處理方式是透過貼銅箔膠帶或?qū)щ姴?，來緩和這樣的情況，但實際對地不平衡的現(xiàn)象并未解決，未真正將LVDS線纜的問題有效處理。唯有透過量測LVDS訊號本身在封閉環(huán)境與系統(tǒng)平臺上的噪聲差異，才能從問題源頭加以進行調(diào)整。

　　●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。

　　●模塊多任務(wù)運作

　　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

　　在本文的最后，百佳泰也提供我們根據(jù)經(jīng)驗歸納設(shè)計出的完整驗證步驟，以作為開發(fā)驗證時的參考，透過這樣的驗證順序，才能按部就班的降低噪聲干擾，提升通訊質(zhì)量。根據(jù)圖八所示，一個完整具有各式通訊模塊與觸控功能的裝置，主要可分成以下三個驗證步驟：

　　1. 傳導測試（Conductive Test）：

　　在驗證初始必須先透過傳導測試，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(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。

　　本文所探討的內(nèi)容雖然僅是噪聲驗證的其中一個例子，但我們已可以見微知著的了解到，無線通訊訊號技術(shù)的博大精深，以及干擾掌控的技術(shù)深度。所有相關(guān)廠商業(yè)者在開發(fā)時，均需透過更深入的研究、更多的技術(shù)資源與精力投入，以對癥下藥的找出相應(yīng)的量測方式及與解決方案，克服通訊產(chǎn)品在設(shè)計上會產(chǎn)生的訊號劣化與干擾狀況。