淺談無線通訊的雜訊干擾與驗證要點

Posted by Tech_Direct 星期一, 25 六月, 2012

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實例剖析:新規裝置關鍵元件–觸控螢幕

隨著過去十數年無線通訊技術的快速發展與規格的不斷進化,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、並普及於日常生活中。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)與電磁相容(Electromagnetic Compatibility,EMC)的問題,以避免相關功能受到干擾而產生訊號劣化、影響其正常運作。然而,儘管世界各地已紛紛立法建立相關的電磁規範,關注於對電磁輻射與RF(Radio Frequency)射頻的限制,但在面對不同通訊模組彼此間可能產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,這也因此成為各產品開發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組與天線,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組與天線,這些元件彼此間勢必將更容易產生雜訊干擾、而影響到其傳輸表現,因為經常觀察到像是傳輸距離變短、傳輸速率降低等等不利於產品通訊性能的狀況。百佳泰(Allion Labs, Inc)在此文中,將介紹在無線通訊狀況下,應如何正確量測無線通訊訊號及進行電磁相容分析,希冀能與相關開發廠商相互切磋交流、提供技術上的參考。

複雜的通訊環境:載台雜訊(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在新式手持裝置(不論是智慧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式,然後透過聲控方式,說出想選擇的料理種類,接著,應用程式便會將接收到的的聲訊傳送至網路上該應用程式業者的伺服器進行解譯、用戶所在位置定位及搜尋,並將符合條件的選項乃至地圖顯示於螢幕上,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,背後便包含了許多零組件的運作,包括像是觸控螢幕的感應、產品(硬體)與用戶操作介面(軟體)的結合使用、麥克風透過消除背景雜音收訊以傳遞乾淨的用戶聲訊、3G模組的啟動、與鄰近基地台的連線能力、GPS定位系統的作用、伺服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;但對開發者而言,卻必須從背後的機械結構、元件選擇、軟硬體整合到通訊模組一一詳加驗證,才能創造良好的使用經驗、完整實現產品的使用目的。

因此,瞭解產品在整個通訊環境中所有可能產生電磁訊號的元件,可說是在進行建置設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元件會產生電磁訊號,這些元件自行發出的訊號若是因設計不良而造成相互干擾,便可稱作載台雜訊(Platform Noise)。這四類元件包括有系統平台(如中央處理器、記憶體、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)、外購平台模組(如觸控螢幕、相機鏡頭模組、固態硬碟及其他向廠商外購後進行組裝的組件)及無線晶片組/無線模組(如Wi-Fi 802.11 a/b/g/n、Bluetooth、GPS)等,這四大類元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。

*圖一 EMC常見元件

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所謂載台雜訊的干擾(Platform Noise Interference)是指什麼呢?舉例而言,面板是目前所有操控裝置的最大元件,而裝置內天線所發射的任何訊號都會打到面板,而面板所發出的雜訊也都會進到天線中;同樣的,天線發出的電波也會影響到各個接口;而不同模組各自所發出的訊號,也會成為彼此的雜訊,這就是所謂的載台雜訊干擾。而當這些的模組、元件都在同時運作,並且干擾無法被控制在一定限度之下時,便會產生「接收感度惡化」(Degradation of Sensitivity,De Sense)的現象,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。由於天線、濾波器、前置電路並不會在任一特定頻道中表現特別差,歸納來說,這便可能是因為B手機在設計時有未盡之處,而受到載台雜訊的干擾,造成所謂的接收感度惡化。

量測出載台雜訊干擾的方法並不困難,可以選擇一個乾淨無外界干擾的環境(如電磁波隔離箱),透過單獨量測單一無線模組接電路板作用的訊號吞吐量(Throughput)結果(如圖二的黃色線段),以及量測該模組建置於產品系統平台之中作用的訊號吞吐量結果(如圖二的藍色線段),兩者間進行比較,便會發現到作用於產品平台中時明顯有訊號劣化情形。而兩者間路徑損失(Path Loss)的差異,便可視為載台雜訊的干擾所致。

*圖二 路徑損失比較示意圖

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在此必須強調一個觀念,那就是載台雜訊的存在是不可避免的,我們不可能將雜訊降到零值,因為模組必須透過系統供電,而模組所放置的位置也會影響到鄰近其他模組與接口,其中勢必會有雜訊的產生。不過載台雜訊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的程度,這也就是為什麼我們要去量測雜訊、找出干擾源的原因。

然而,要量測出載台雜訊干擾並非難事,但若要驗證載台雜訊的來源有哪些、以及個別來源造成的干擾程度,則需要非常複雜與細緻的量測方法,而這絕對是開發者的一大挑戰。光是控制變因並對可能造成干擾的元件進行交叉量測,彼此間便可以產生上千種組合,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、並將其間耗時的交叉量測加以自動化,以有效判斷主要雜訊源,便是其中的學問所在。

降低雜訊的首要重點:制定合理的雜訊預算(Noise Budget)以進行調變

在瞭解到載台雜訊的干擾會造成接收感度惡化的情形,並且已知如何量測後,下一個重點就在設定出裝置雜訊的許可值,也就是制訂出合理的雜訊預算(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模組的惡化情形是可以透過GPS模組解調的),瞭解到雜訊大小與Eb/No(系統平均訊噪比)後,設定出合宜的雜訊容許值,才能進行雜訊干擾的修正(而非消除)。

然而,這樣的修正並非單一元件的校正,而是需要一連串環環相扣的驗證與修改。舉例來說,當裝置的螢幕對天線接收造成干擾時,要進行調變的不只是面板本身,還包括了背後的顯示卡、輸入輸出功率、線路的設計、LVDS介面等,甚至是天線的表面電流分佈方式,都需要進行調變。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,而彼此間均有牽一髮而動全身的依存關係。因此,依據實際的載台雜訊狀況,訂定出合理的雜訊預算,再據此進行調變以降低雜訊,才是能有效提升產品品質的關鍵。

*圖三 無線裝置接收表現的主要影響因素

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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用的新式裝置中所佔面積最大的元件,相應產生的干擾問題也就越多,因此,確保其所造成的載台雜訊能控制在雜訊預算內,自然是驗證時的第一要務。根據百佳泰的驗證經驗,目前在智慧型手機及平板裝置中,約莫有60%的干擾問題都來自於觸控面板,其中又有70%是源於面板裡的IC控制晶片,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的其他模組或接口,而是面板本身對觸控功能所產生的干擾。包括像是面板的畫素電極(Pixel Electrode)、畫素時脈(Pixel Clock)、儲存電容(Storage Capacitor)、逐線顯示(Line-by-Line Address)背光板模組(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,掃瞄並觀察在不同時間以及使用不同觸控點的電壓變化,以瞭解實際載台雜訊的狀況,才能進行適當的調變。基本而言,觸控的掃瞄電壓約是100~200k,而螢幕的更新率則是五毫秒(ms),以檢查所有觸控點,這種低週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的靈敏度,以換來載台雜訊降低;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)數據。

*圖四 觸控面板雜訊預算魚骨圖

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在量測出觸控面板本身的雜訊後,並設定出合理的雜訊預算值後,就可以開始進行觸控面板對各種不同模組的雜訊量測,圖四的觸控面板雜訊預算魚骨圖,就是我們根據經驗歸納研究出的量測與驗證順序,必須透過對雜訊預算的控制,來觀察觸控面板對不同模組的干擾狀況。在圖五的實際量測圖中,紅線部分便是我們設定的雜訊預算值,而我們的目標就是將雜訊值降低到紅線以下。

*圖五 實際量測圖(紅線為雜訊預算值)

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以下我們便來探討幾個與觸控面板相關的干擾實例:

  • LVDS

*圖六 LVDS實際量測圖

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目前許多新規裝置如平板電腦或Ultrabook在設計面板顯示的訊號傳輸時,都會採取所謂的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資料傳輸應用需求的技術。然而在實際應用上,這些訊號也許可能部分進入如3G等行動通訊頻段,而產生很大的對地容量不平衡(Ground Capacitance Unbalance)電流、並致使干擾。然而,傳統的處理方式是透過貼銅箔膠帶或導電布,來緩和這樣的情況,但實際對地不平衡的現象並未解決,未真正將LVDS線纜的問題有效處理。唯有透過量測LVDS訊號本身在封閉環境與系統平台上的雜訊差異,才能從問題源頭加以進行調整。

  • 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而產生頻率干擾。舉例來說,當邏輯閘產生約45MHz的干擾時,像GSM 850(869-896 MHz)跟GSM 900(925-960 MHz)間的發射接收頻率差距小於45MHz,便會產生外部調變(External Modulation)而造成干擾;另一個例子則是藍牙受到邏輯閘的開關而使電流產生大小變化,這樣的外部調變使得訊號進入GSM1800、GSM1900的頻譜而產生干擾。

因此,我們必須使用頻域模擬法進行S-parameter分析取樣,確認電腦模擬與實機測試的誤差值在容許範圍內,以掌握雜訊傳導的狀況。才能不犧牲消費者的良好觸控經驗,又能減少觸控面板對產品其他模組及元件造成的干擾。

  • 固態硬碟

*圖七 經多次抹寫後,雜訊邊限將隨之下降

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新興的儲存媒介—固態硬碟(SSD)儘管受快閃記憶體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,已被廣泛應用在平板電腦及其他形式的行動裝置中。然而,傳統磁盤式硬碟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碟旁接聽使用,有可能干擾到硬碟造成資料毀損),也同樣出現在SSD上。

在SSD上的狀況時,SSD會隨著使用抹寫次數(P/E Cycle)的增加,而使得其雜訊邊限(Noise Margin)隨之降低,就如圖七所示,經過一萬次的抹寫使用後,雜訊邊限就產生了明顯的惡化,而更容易受到觸控面板或其他雜訊源的干擾,而影響實際功能。在這個情境下,若能作到SSD的均勻抹寫,便是有效緩和雜訊邊限下降速率的方法之一。

  • 模組多工運作

觸控面板所使用的電來自系統本身,而其他如通訊或相機等模組等,也都同樣透過系統供電,因此,電壓的穩定與充足便是使這些元件模組能良好運作的關鍵所在。在所有需要使用電源的模組中,其中尤以3G或Wi-Fi模組在進行連線上網(數據傳輸)時最為耗電,在所有這些通訊模組開啟的同時,就很可能造成電壓不足,而影響到觸控面板的穩定吃電;另外,此時通訊模組的電磁波,也可能同時直接打到面板上,造成嚴重的雜訊干擾。這時我們就必須回到前面的魚骨圖,依序進行不同模組設定、位置建置、通訊環境的驗證。

精密量測驗證 才能有效提升通訊品質 降低雜訊干擾

*圖八 雜訊干擾量測驗證的理想步驟

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在本文的最後,百佳泰也提供我們根據經驗歸納設計出的完整驗證步驟,以作為開發驗證時的參考,透過這樣的驗證順序,才能按部就班的降低雜訊干擾,提升通訊品質。根據圖八所示,一個完整具有各式通訊模組與觸控功能的裝置,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台雜訊、接收感度惡化情形、以及傳送與接受(Tx/Rx)時的載台雜訊。

2. 電磁相容性(Near Field EMC):

在掌握了傳導測試所能取得的相關資訊,並設定雜訊預算後,便可進行包括天線表面電流量測、雜訊電流分佈量測及耦合路徑損失(Coupling Path Loss)的量測,以及相機、觸控面板的雜訊和射頻共存外部調變。

3. OTA測試(Over The Air Test):

完成傳導與EMC測試後,便可針對不同通訊模組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載波雜訊比(C/N Ratio)的量測乃至DVB的接收靈敏度測試。

本文所探討的內容雖然僅是雜訊驗證的其中一個例子,但我們已可以見微知著的瞭解到,無線通訊訊號技術的博大精深,以及干擾掌控的技術深度。所有相關廠商業者在開發時,均需透過更深入的研究、更多的技術資源與精力投入,以對症下藥的找出相應的量測方式及與解決方案,克服通訊產品在設計上會產生的訊號劣化與干擾狀況。如有任何問題,歡迎逕洽百佳泰。