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範,關注於對電磁輻射與RF射頻的限製,但在麵對不同通訊模塊彼此間可能產生相互幹擾的這個狀況下,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,更必須考慮到電磁幹擾(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幹擾而產生訊號劣化、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範,關注於對電磁輻射與RF(Radio Frequency)shepindexianzhi,danzaimianduibutongtongxunmokuaibicijiankenengchanshengxianghuganraodezhegezhuangkuangxia,quenanyiyouyitaogudingdebiaozhun,quyufanghuojiejuexiangguannanti,zheyeyincichengweigechanpinkaifashangzuixujiayikefudezhongdian。
除chu此ci之zhi外wai,加jia上shang近jin來lai可ke攜xie式shi裝zhuang置zhi的de熱re潮chao以yi及ji通tong訊xun功gong能neng的de多duo元yuan化hua,使shi得de這zhe些xie相xiang關guan通tong訊xun模mo塊kuai與yu天tian線xian,皆jie必bi須xu設she計ji成cheng更geng加jia輕qing薄bo短duan小xiao的de體ti積ji,來lai符fu合he行xing動dong應ying用yong的de需xu求qiu,這zhe樣yang的de狀zhuang況kuang更geng使shi得de產chan品pin要yao做zuo到dao最zui佳jia化hua設she計ji更geng為wei難nan上shang加jia難nan。要yao在zai極ji其qi狹xia小xiao與yu精jing簡jian的de空kong間jian中zhong,建jian置zhi更geng多duo不bu同tong的de無wu線xian模mo塊kuai與yu天tian線xian,這zhe些xie組zu件jian彼bi此ci間jian勢shi必bi將jiang更geng容rong易yi產chan生sheng噪zao聲sheng幹gan擾rao、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chuan輸shu速su率lv降jiang低di等deng等deng不bu利li於yu產chan品pin通tong訊xun性xing能neng的de狀zhuang況kuang。在zai此ci文wen中zhong,將jiang介jie紹shao在zai無wu線xian通tong訊xun狀zhuang況kuang下xia,應ying如ru何he正zheng確que測ce量liang無wu線xian通tong訊xun訊xun號hao及ji進jin行xing電dian磁ci兼jian容rong分fen析xi。
複雜的通訊環境
首先,先來試想一般消費者在使用現在新式手持裝置(不論是智能型手機或是平板電腦)時的可能情境:xiaofeizhedaoleyongcanshijian,xiangxunzhaolinjindecanting,biankeyinachushouji,touguodianjidakaiyuxianxiazaihaodeyikuanyingyongchengxu,ranhoutouguoshengkongfangshi,shuochuxiangxuanzedeliaolizhonglei,jiezhe,yingyongchengxubianhuijiangjieshoudaodedeshengxunchuansongzhiwangluoshanggaiyingyongchengxuyezhedefuwuqijinxingjieyi、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,背後便包含了許多零組件的運作,包括像是觸控屏幕的感應、產品(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幹淨的用戶聲訊、3G模塊的啟動、與鄰近基站的聯機能力、GPS定位係統的作用、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;但對開發者而言,卻必須從背後的機械結構、組件選擇、軟硬件整合到通訊模塊一一詳加驗證,才能創造良好的使用經驗、完整實現產品的使用目的。
因yin此ci,了le解jie產chan品pin在zai整zheng個ge通tong訊xun環huan境jing中zhong所suo有you可ke能neng產chan生sheng電dian磁ci訊xun號hao的de組zu件jian,可ke說shuo是shi在zai進jin行xing建jian置zhi設she計ji時shi的de一yi大da重zhong要yao前qian提ti。在zai目mu前qian一yi般ban新xin式shi裝zhuang置zhi中zhong主zhu要yao有you四si大da種zhong類lei的de組zu件jian會hui產chan生sheng電dian磁ci訊xun號hao,這zhe些xie組zu件jian自zi行xing發fa出chu的de訊xun號hao若ruo是shi因yin設she計ji不bu良liang而er造zao成cheng相xiang互hu幹gan擾rao,便bian可ke稱cheng作zuo載zai台tai噪zao聲sheng(Platform Noise)。這四類組件包括有係統平台(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)、外購平台模塊(如觸控屏幕、相機鏡頭模塊、固態硬盤及其它向廠商外購後進行組裝的組件)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品建置,避免彼此間的幹擾,將所有可能的問題風險降至最低。
所謂載台噪聲的幹擾(Platform Noise Interference)是shi指zhi什shen麼me呢ne?舉ju例li而er言yan,麵mian板ban是shi目mu前qian所suo有you操cao控kong裝zhuang置zhi的de最zui大da組zu件jian,而er裝zhuang置zhi內nei天tian線xian所suo發fa射she的de任ren何he訊xun號hao都dou會hui打da到dao麵mian板ban,而er麵mian板ban所suo發fa出chu的de噪zao聲sheng也ye都dou會hui進jin到dao天tian線xian中zhong;同樣的,天線發出的電波也會影響到各個接口;而不同模塊各自所發出的訊號,也會成為彼此的噪聲,這就是所謂的載台噪聲幹擾。而當這些的模塊、組件都在同時運作,並且幹擾無法被控製在一定限度之下時,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,而受到載台噪聲的幹擾,造成所謂的接收感度惡化。
量測出載台噪聲幹擾的方法並不困難,可以選擇一個幹淨無外界幹擾的環境(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(jie)果(guo),以(yi)及(ji)量(liang)測(ce)該(gai)模(mo)塊(kuai)建(jian)置(zhi)於(yu)產(chan)品(pin)係(xi)統(tong)平(ping)台(tai)之(zhi)中(zhong)作(zuo)用(yong)的(de)訊(xun)號(hao)吞(tun)吐(tu)量(liang)結(jie)果(guo),兩(liang)者(zhe)間(jian)進(jin)行(xing)比(bi)較(jiao),便(bian)會(hui)發(fa)現(xian)到(dao)作(zuo)用(yong)於(yu)產(chan)品(pin)平(ping)台(tai)中(zhong)時(shi)明(ming)顯(xian)有(you)訊(xun)號(hao)劣(lie)化(hua)情(qing)形(xing)。而(er)兩(liang)者(zhe)間(jian)路(lu)徑(jing)損(sun)失(shi)(Path Loss)的差異,便可視為載台噪聲的幹擾所致。

圖1:無線通訊
在zai此ci必bi須xu強qiang調tiao一yi個ge觀guan念nian,那na就jiu是shi載zai台tai噪zao聲sheng的de存cun在zai是shi不bu可ke避bi免mian的de,我wo們men不bu可ke能neng將jiang噪zao聲sheng降jiang到dao零ling值zhi,因yin為wei模mo塊kuai必bi須xu透tou過guo係xi統tong供gong電dian,而er模mo塊kuai所suo放fang置zhi的de位wei置zhi也ye會hui影ying響xiang到dao鄰lin近jin其qi它ta模mo塊kuai與yu接jie口kou,其qi中zhong勢shi必bi會hui有you噪zao聲sheng的de產chan生sheng。不bu過guo載zai台tai噪zao聲sheng的de存cun在zai雖sui然ran不bu可ke避bi免mian,卻que可ke以yi設she法fa讓rang其qi幹gan擾rao降jiang到dao最zui低di、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噪聲、找出幹擾源的原因。
然而,要量測出載台噪聲幹擾並非難事,但若要驗證載台噪聲的來源有哪些、yijigebielaiyuanzaochengdeganraochengdu,zexuyaofeichangfuzayuxizhideliangcefangfa,erzhejueduishikaifazhedeyidatiaozhan。guangshikongzhibianyinbingduikenengzaochengganraodezujianjinxingjiaochaliangce,bicijianbiankeyichanshengshangqianzhongzuhe,xiangshibutongdetongxunpindaojian、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,以有效判斷主要噪聲源,便是其中的學問所在。
降低噪聲的首要重點
zailejiedaozaitaizaoshengdeganraohuizaochengjieshouganduehuadeqingxing,bingqieyizhiruheliangcehou,xiayigezhongdianjiuzaishedingchuzhuangzhizaoshengdexukezhi,yejiushizhidingchuhelidezaoshengyusuan(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(係統平均訊噪比)後,設定出合宜的噪聲容許值,才能進行噪聲幹擾的修正(而非消除)。
然ran而er,這zhe樣yang的de修xiu正zheng並bing非fei單dan一yi組zu件jian的de校xiao正zheng,而er是shi需xu要yao一yi連lian串chuan環huan環huan相xiang扣kou的de驗yan證zheng與yu修xiu改gai。舉ju例li來lai說shuo,當dang裝zhuang置zhi的de屏ping幕mu對dui天tian線xian接jie收shou造zao成cheng幹gan擾rao時shi,要yao進jin行xing調tiao變bian的de不bu隻zhi是shi麵mian板ban本ben身shen,還hai包bao括kuo了le背bei後hou的de顯xian示shi卡ka、輸入輸出功率、線路的設計、LVDS接jie口kou等deng,甚shen至zhi是shi天tian線xian的de表biao麵mian電dian流liu分fen布bu方fang式shi,都dou需xu要yao進jin行xing調tiao變bian。影ying響xiang無wu線xian裝zhuang置zhi訊xun號hao接jie收shou能neng力li的de可ke變bian因yin素su有you許xu多duo,而er彼bi此ci間jian均jun有you牽qian一yi發fa而er動dong全quan身shen的de依yi存cun關guan係xi。因yin此ci,依yi據ju實shi際ji的de載zai台tai噪zao聲sheng狀zhuang況kuang,訂ding定ding出chu合he理li的de噪zao聲sheng預yu算suan,再zai據ju此ci進jin行xing調tiao變bian以yi降jiang低di噪zao聲sheng,才cai是shi能neng有you效xiao提ti升sheng產chan品pin質zhi量liang的de關guan鍵jian。
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