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在無線通訊下,如何測量無線通訊訊號及電磁兼容分析(一)

發(fā)布時間:2013-03-14 責任編輯:Lynnjiao

【導讀】盡管世界各地已紛紛立法建立相關的電磁規(guī)范,關注于對電磁輻射與RF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,去預防或解決相關難題。

隨著過去十數(shù)年無線通訊技術的快速發(fā)展與規(guī)格的不斷進化,各種不同的無線技術不論是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。無線通訊技術本身即已博大精深,而在導入至各式電子裝置與應用領域時,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的電磁規(guī)范,關注于對電磁輻射與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,去預防或解決相關難題,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,使得這些相關通訊模塊與天線,皆必須設計成更加輕薄短小的體積,來符合行動應用的需求,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。在此文中,將介紹在無線通訊狀況下,應如何正確測量無線通訊訊號及進行電磁兼容分析。

復雜的通訊環(huán)境

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,透過點擊打開預先下載好的一款應用程序,然后透過聲控方式,說出想選擇的料理種類,接著,應用程序便會將接收到的的聲訊傳送至網(wǎng)絡上該應用程序業(yè)者的服務器進行解譯、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、產(chǎn)品(硬件)與用戶操作接口(軟件)的結合使用、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、服務器搜尋結果的回傳等等。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計時的一大重要前提。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)結果,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果,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。

無線通訊
圖1:無線通訊

在此必須強調一個觀念,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

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,在得知該無線通訊技術可以如何解調(例如已知該3G模塊的惡化情形是可以透過GPS模塊解調的),了解到噪聲大小與Eb/No(系統(tǒng)平均訊噪比)后,設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,都需要進行調變。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)而動全身的依存關系。因此,依據(jù)實際的載臺噪聲狀況,訂定出合理的噪聲預算,再據(jù)此進行調變以降低噪聲,才是能有效提升產(chǎn)品質量的關鍵。

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