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(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(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，將介紹在無線通訊狀況下，應(yīng)如何正確測(cè)量無線通訊訊號(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(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。從圖三簡略的圖示便可看出，影響無線裝置訊號(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。
以下我們便來探討幾個(gè)與觸控面板相關(guān)的干擾實(shí)例：
●LVDS
目前許多新規(guī)裝置如平板電腦或Ultrabook在設(shè)計(jì)面板顯示的訊號(hào)傳輸時(shí)，都會(huì)采取所謂的LVDS進(jìn)行傳導(dǎo)，LVDS也就是低電壓差動(dòng)訊號(hào)(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(shí)際應(yīng)用上，這些訊號(hào)也許可能部分進(jìn)入如3G等行動(dòng)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姴迹瑏砭徍瓦@樣的情況，但實(shí)際對(duì)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(cè)LVDS訊號(hào)本身在封閉環(huán)境與系統(tǒng)平臺(tái)上的噪聲差異，才能從問題源頭加以進(jìn)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(huì)因不斷的開關(guān)而產(chǎn)生頻率干擾。舉例來說，當(dāng)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(diào)變(External Modulation)而造成干擾;另一個(gè)例子則是藍(lán)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(hào)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(rèn)電腦仿真與實(shí)機(jī)測(cè)試的誤差值在容許范圍內(nèi)，以掌握噪聲傳導(dǎo)的狀況。才能不犧牲消費(fèi)者的良好觸控經(jīng)驗(yàn)，又能減少觸控面板對(duì)產(chǎn)品其它模塊及組件造成的干擾。
●固態(tài)硬盤
新興的儲(chǔ)存媒介-固態(tài)硬盤(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(yīng)用在平板電腦及其它形式的行動(dòng)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(dāng)手機(jī)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(shí)，SSD會(huì)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(shí)際功能。在這個(gè)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(yùn)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(jī)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(yùn)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(jī)上網(wǎng)(數(shù)據(jù)傳輸)時(shí)最為耗電，在所有這些通訊模塊開啟的同時(shí)，就很可能造成電壓不足，而影響到觸控面板的穩(wěn)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(yán)重的噪聲干擾。這時(shí)我們就必須回到前面的魚骨圖，依序進(jìn)行不同模塊設(shè)定、位置建置、通訊環(huán)境的驗(yàn)證。
精密量測(cè)驗(yàn)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(yàn)歸納設(shè)計(jì)出的完整驗(yàn)證步驟，以作為開發(fā)驗(yàn)證時(shí)的參考，透過這樣的驗(yàn)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(gè)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(gè)驗(yàn)證步驟：
1. 傳導(dǎo)測(cè)試(Conductive Test)：
在驗(yàn)證初始必須先透過傳導(dǎo)測(cè)試，精確量測(cè)出裝置本身的載臺(tái)噪聲、接收感度惡化情形、以及傳送與接受(Tx/Rx)時(shí)的載臺(tái)噪聲。
2. 電磁兼容性(Near Field EMC)：
在掌握了傳導(dǎo)測(cè)試所能取得的相關(guān)信息，并設(shè)定噪聲預(yù)算后，便可進(jìn)行包括天線表面電流量測(cè)、噪聲電流分布量測(cè)及耦合路徑損失(Coupling Path Loss)的量測(cè)，以及相機(jī)、觸控面板的噪聲和射頻共存外部調(diào)變。
3. OTA測(cè)試(Over The Air Test)：
完成傳導(dǎo)與EMC測(cè)試后，便可針對(duì)不同通訊模塊進(jìn)行獨(dú)立與共存的量測(cè)、總輻射功率(Total Radiation Power，TRP)與全向靈敏度(Total Isotropic Sensitivity，TIS)的量測(cè)、GPS載波噪聲比(C/N Ratio)的量測(cè)乃至DVB的接收靈敏度測(cè)試。
本文所探討的內(nèi)容雖然僅是噪聲驗(yàn)證的其中一個(gè)例子，但我們已可以見微知著的了解到，無線通訊訊號(hào)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(shí)，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(duì)癥下藥的找出相應(yīng)的量測(cè)方式及與解決方案，克服通訊產(chǎn)品在設(shè)計(jì)上會(huì)產(chǎn)生的訊號(hào)劣化與干擾狀況。
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