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)射she頻pin的de限xian製zhi,但dan在zai麵mian對dui不bu同tong通tong訊xun模mo塊kuai彼bi此ci間jian可ke能neng產chan生sheng相xiang互hu幹gan擾rao的de這zhe個ge狀zhuang況kuang下xia,卻que難nan以yi有you一yi套tao固gu定ding的de標biao準zhun,去qu預yu防fang或huo解jie決jue相xiang關guan難nan題ti,這zhe也ye因yin此ci成cheng為wei各ge產chan品pin開kai發fa商shang最zui需xu加jia以yi克ke服fu的de重zhong點dian。
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、chuanshusulvjiangdidengdengbuliyuchanpintongxunxingnengdezhuangkuang。zaiciwenzhong,jiangjieshaozaiwuxiantongxunzhuangkuangxia,yingruhezhengqueceliangwuxiantongxunxunhaojijinxingdiancijianrongfenxi。
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
zaicibixuqiangtiaoyigeguannian,najiushizaitaizaoshengdecunzaishibukebimiande,womenbukenengjiangzaoshengjiangdaolingzhi,yinweimokuaibixutouguoxitonggongdian,ermokuaisuofangzhideweizhiyehuiyingxiangdaolinjinqitamokuaiyujiekou,qizhongshibihuiyouzaoshengdechansheng。buguozaitaizaoshengdecunzaisuiranbukebimian,quekeyishefarangqiganraojiangdaozuidi、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、以yi及ji個ge別bie來lai源yuan造zao成cheng的de幹gan擾rao程cheng度du,則ze需xu要yao非fei常chang複fu雜za與yu細xi致zhi的de量liang測ce方fang法fa,而er這zhe絕jue對dui是shi開kai發fa者zhe的de一yi大da挑tiao戰zhan。光guang是shi控kong製zhi變bian因yin並bing對dui可ke能neng造zao成cheng幹gan擾rao的de組zu件jian進jin行xing交jiao叉cha量liang測ce,彼bi此ci間jian便bian可ke以yi產chan生sheng上shang千qian種zhong組zu合he,像xiang是shi不bu同tong的de通tong訊xun頻pin道dao間jian、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)。
raner,zheyangdexiuzhengbingfeidanyizujiandexiaozheng,ershixuyaoyilianchuanhuanhuanxiangkoudeyanzhengyuxiugai。julilaishuo,dangzhuangzhidepingmuduitianxianjieshouzaochengganraoshi,yaojinxingtiaobiandebuzhishimianbanbenshen,haibaokuolebeihoudexianshika、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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