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正确丈量无线通讯信号及EMC剖析

随着过去十数年无线通讯技术的快速发展与规格的不断进化,各种不同的无线技术不论是GSM、GPS、WLAN(如Wi-Fi)、Bluetooth 等都开始逐渐出现、并普及于日常生活中。无线通讯技术本身即已博

跟着曩昔十数年无线通讯技能的快速开展与规范的不断进化,各种不同的无线技能不论是GSM、GPS、WLAN(如Wi-Fi)、Bluetooth 等都开端逐步呈现、并普及于日常日子中。无线通讯技能自身即已博学多才,而在导入至各式电子设备与运用领域时,更有必要考虑到电磁搅扰 (Electromagnetic Interference,即一般通称的EMI)与电磁兼容(Electromagnetic Compatibility,EMC)的问题,以防止相关功用遭到搅扰而发生信号劣化、影响其正常运作。但是,尽管世界各地已纷繁立法树立相关的电磁规 范,重视于对电磁辐射与RF(Radio Frequency)射频的约束,但在面临不同通讯模块互相间或许发生互相搅扰的这个情况下,却难以有一套固定的规范,去防备或处理相关难题,这也因而成 为各产品开发商最需加以战胜的要害。

  除此之外,加上近来可携式设备的热潮以及通讯功用的多元化,使得这些相关通讯模块与天线,皆有必要规划成愈加轻浮矮小的体积,来契合举动运用的需求,这 样的情况更使得产品要做到最佳化规划更为难上加难。要在极端狭小与精简的空间中,建置更多不同的无线模块与天线,这些组件互相间势必将更简略发生噪声干 扰、而影响到其传输体现,由于常常调查到像是传输间隔变短、传输速率下降等等不利于产品通讯功用的情况。百佳泰(Allion Labs, Inc)在此文中,将介绍在无线通讯情况下,应怎么正确丈量无线通讯信号及进行电磁兼容剖析,希冀能与相关开发厂商互相商讨沟通、供给技能上的参阅。

  杂乱的通讯环境:载台噪声(Platform Noise)形成的接纳感度恶化(De Sense)

  首要,先来试想一般顾客在运用现在新式手持设备(不论是智能型手机或是平板电脑)时的或许情境:顾客到了用餐时刻,想寻觅附近的餐厅,便能够拿出 手机,透过点击翻开预先下载好的一款运用程序,然后透过声控办法,说出想挑选的照料品种,接着,运用程序便会将接纳到的的声讯传送至网络上该运用程序业者 的服务器进行解译、用户地点方位定位及搜索,并将契合条件的选项甚至地图显现于屏幕上,用户便能按图索骥的找到适合的抱负餐厅。

  事实上,在这短短几秒看似简略的操作过程中,背面便包含了许多零组件的运作,包含像是触控屏幕的感应、产品(硬件)与用户操作接口(软件)的结合使 用、麦克风透过消除布景杂音收讯以传递洁净的用户声讯、3G模块的发动、与附近基站的联机才干、GPS定位体系的效果、服务器搜索成果的回传等等。尽管对 用户来说,感遭到的是「好不好用」的运用观感;但对开发者而言,却有必要从背面的机械结构、组件挑选、软硬件整合到通讯模块逐个详加验证,才干发明杰出的使 用经历、完好完结产品的运用意图。

  因而,了解产品在整个通讯环境中一切或许发生电磁信号的组件,可说是在进行建置规划时的一大重要条件。透过图一,咱们能够清楚看到,在现在一般新式装 置中首要有四大品种的组件会发生电磁信号,这些组件自行宣布的信号若是因规划不良而形成互相搅扰,便可称作载台噪声(Platform Noise)。这四类组件包含有体系渠道(如中央处理器、内存、电源供应器)、对内对外的连接器耦合途径(如各种传输接口像是USB、HDMI)、外购平 台模块(如触控屏幕、相机镜头模块、固态硬盘及其它向厂商外购后进行拼装的组件)及无线芯片组/无线模块(如Wi-Fi 802.11 a/b/g/n、Bluetooth、GPS)等,这四大类组件均需透过详尽的量测、核算,才干准确找出最佳的电路规划与妥善进行全体产品建置,防止互相 间的搅扰,将一切或许的问题危险降至最低。

  所谓载台噪声的搅扰(Platform Noise Interference)是指什么呢?举例而言,面板是现在一切操控设备的最大组件,而设备内天线所发射的任何信号都会打到面板,而面板所宣布的噪声也 都会进到天线中;相同的,天线宣布的电波也会影响到各个接口;而不同模块各自所宣布的信号,也会成为互相的噪声,这就是所谓的载台噪声搅扰。而当这些的模 块、组件都在一起运作,而且搅扰无法被操控在必定极限之下时,便会发生“接纳感度恶化”(Degradation of Sensitivity,De Sense)的现象,影响设备无线效能的正常运作。

  譬如在同一个频段中,当A手机能够接纳1000个频道的信号,而B手机仅能接纳到500个频道,在实践感触上,用户便会以为B手机的收讯才干欠安。由 于天线、滤波器、前置电路并不会在任一特定频道中体现特别差,概括来说,这便或许是由于B手机在规划时有未尽之处,而遭到载台噪声的搅扰,形成所谓的接纳 感度恶化。

  量测出载台噪声搅扰的办法并不困难,能够挑选一个洁净无外界搅扰的环境(如电磁波阻隔箱),透过独自量测单一无线模块接电路板效果的信号吞吐量 (Throughput)成果(如图二的黄色线段),以及量测该模块建置于产品体系渠道之中效果的信号吞吐量成果(如图二的蓝色线段),两者间进行比较, 便会发现到效果于产品渠道中时显着有信号劣化景象。而两者间途径丢失(Path Loss)的差异,便可视为载台噪声的搅扰所形成的。

  在此有必要着重一个观念,那就是载台噪声的存在是不行防止的,咱们不或许将噪声降到零值,由于模块有必要透过体系供电,而模块所放置的方位也会影响到附近 其它模块与接口,其间势必会有噪声的发生。不过载台噪声的存在尽管不行防止,却能够设法让其搅扰降到最低、而不致影响通讯体现的程度,这也就是为什么咱们 要去量测噪声、找出搅扰源的原因。

  但是,要量测出载台噪声搅扰并非难事,但若要验证载台噪声的来历有哪些、以及单个来历形成的搅扰程度,则需求十分杂乱与详尽的量测办法,而这肯定是开 发者的一大应战。光是操控变因并对或许形成搅扰的组件进行穿插量测,互相间便能够发生上千种组合,像是不同的通讯频道间、Bluetooth与Wi- Fi、Wi-Fi与3G、3G与GPS等等,都或许由于信号共存(Co-existence)、串音(Crosstalk)等情况形成信号损耗。怎么透过 正确的量测次序与办法、并将其间耗时的穿插量测加以自动化,以有用判别首要噪声源,就是其间的学识地点。

  下降噪声的首要要害:拟定合理的噪声预算(Noise Budget)以进行调变

  在了解到载台噪声的搅扰会形成接纳感度恶化的景象,而且已知怎么量测后,下一个要害就在设定出设备噪声的答应值,也就是制订出合理的噪声预算 (Noise Budget),才干为设备做出最适合的调整。也就是说,在得知该无线通讯技能能够怎么解调(例如已知该3G模块的恶化景象是能够透过GPS模块解调 的),了解到噪声巨细与Eb/No(体系均匀讯噪比)后,设定出合宜的噪声容许值,才干进行噪声搅扰的批改(而非消除)。

  但是,这样的批改并非单一组件的校对,而是需求一连串环环相扣的验证与修正。举例来说,当设备的屏幕对天线接纳形成搅扰时,要进行调变的不只是面板本 身,还包含了背面的显现卡、输入输出功率、线路的规划、LVDS接口等,甚至是天线的外表电流散布办法,都需求进行调变。从图三简略的图示便可看出,影响 无线设备信号接纳才干的可变要素有许多,而互相间均有牵一发而动全身的依存关系。因而,依据实践的载台噪声情况,拟订出合理的噪声预算,再据此进行调变以 下降噪声,才是能有用进步产品质量的要害。

  实例阐明:最大搅扰源–触控面板

  如前所述,触控面板是各类以触控为中心运用的新式设备中所占面积最大的组件,相应发生的搅扰问题也就越多,因而,保证其所形成的载台噪声能操控在噪声 预算内,自然是验证时的榜首要务。依据百佳泰的验证经历,现在在智能型手机及平板设备中,约莫有60%的搅扰问题都来自于触控面板,其间又有70%是源于 面板里的IC操控芯片,接下来咱们就将针对触控面板的验证要害进行阐明。

  触控面板望文生义,就是具有触控功用的面板,但是,触控面板榜首个所需求战胜的搅扰,不是来自同一设备内的其它模块或接口,而是面板自身对触控功用所 发生的搅扰。包含像是面板的像素电极(Pixel Electrode)、像素频率(Pixel Clock)、贮存电容(Storage Capacitor)、逐线显现(Line-by-Line Address)背光板模块(Back Light Unit)等都会形成面板对触控的搅扰。

  此刻就要去量测触控时的电压,扫瞄并调查在不一起刻以及运用不同触控点的电压改变,以了解实践载台噪声的情况,才干进行恰当的调变。根本而言,触控的 扫瞄电压约是100~200k,而屏幕的更新率则是五毫秒(ms),以查看一切触控点,这种低周期的频率便十分简略形成对GPS及SIM卡的搅扰。因而, 触控面板有必要进步电压才干处理面板的搅扰,也就是透过微幅下降触控感应的灵敏度,以换来载台噪声下降;而在实践量测调查时,除了需求透过准确的夹具与仪器 外,也有必要量测时域(而非频率),才干得到真实的错误率(BER)数据。

  图4 触控面板噪声预算鱼骨图

  在量测出触控面板自身的噪声后,并设定出合理的噪声预算值后,就能够开端进行触控面板对各种不同模块的噪声量测,图四的触控面板噪声预算鱼骨图,就是 咱们依据经历概括研讨出的量测与验证次序,有必要透过对噪声预算的操控,来调查触控面板对不同模块的搅扰情况。在图五的实践量测图中,红线部分就是咱们设定 的噪声预算值,而咱们的方针就是将噪声值下降到红线以下。

以下咱们便来讨论几个与触控面板相关的搅扰实例:

  ●LVDS

  现在许多新规设备如平板电脑或Ultrabook在规划面板显现的信号传输时,都会采纳所谓的LVDS进行传导,LVDS也就是低电压差动信号 (Low Voltage Differential Signaling),是一种可满意高效能且低电压数据传输运用需求的技能。但是在实践运用上,这些信号或许或许部分进入如3G等举动通讯频段,而发生很 大的地上%&&&&&%不平衡(Ground Capacitance Unbalance)电流、并致使搅扰。但是,传统的处理办法是透过贴铜箔胶带或导电布,来平缓这样的情况,但实践对地不平衡的现象并未处理,未真实将 LVDS线缆的问题有用处理。唯有透过量测LVDS信号自身在关闭环境与体系渠道上的噪声差异,才干从问题源头加以进行调整。

  ●线路逻辑闸

  此外,触控面板接有许多的线路,这些线路的逻辑闸都会因不断的开关而发生频率搅扰。举例来说,当逻辑闸发生约45MHz的搅扰时,像GSM 850(869-896 MHz)跟GSM 900(925-960 MHz)间的发射接纳频率距离小于45MHz,便会发生外部调变(External Modulation)而形成搅扰;另一个比如则是蓝牙遭到逻辑闸的开关而使电流发生巨细改变,这样的外部调变使得信号进入GSM1800、 GSM1900的频谱而发生搅扰。

  因而,咱们有必要运用频域模仿法进行S-parameter剖析取样,承认电脑仿真与实机测验的误差值在容许范围内,以把握噪声传导的情况。才干不献身顾客的杰出触控经历,又能削减触控面板对产品其它模块及组件形成的搅扰。

  ●固态硬盘

  新式的贮存前言-固态硬盘(SSD)尽管受闪存的市场价格动摇影响,而在本钱上仍居高不下,但因其体积轻浮与低功耗的特性,已被广泛运用在平板电脑及 其它方法的举动设备中。但是,传统磁盘式硬盘简略遭到外来通讯情况影响的景象(例如当手机放在电脑硬盘旁接听运用,有或许搅扰到硬盘形成数据毁损),也同 样呈现在SSD上。

  在SSD上的情况时,SSD会跟着运用抹写次数(P/E Cycle)的添加,而使得其噪声容限(Noise Margin)随之下降,就如图七所示,通过一万次的抹写运用后,噪声容限就发生了显着的恶化,而更简略遭到触控面板或其它噪声源的搅扰,而影响实践功 能。在这个情境下,若能作到SSD的均匀抹写,就是有用平缓噪声容限下降速率的办法之一。

  ●模块多任务运作

  触控面板所运用的电来自体系自身,而其它如通讯或相机等模块等,也都相同透过体系供电,因而,电压的安稳与足够就是使这些组件模块能杰出运作的要害所 在。在一切需求运用电源的模块中,其间尤以3G或Wi-Fi模块在进行联机上网(数据传输)时最为耗电,在一切这些通讯模块敞开的一起,就很或许形成电压 缺乏,而影响到触控面板的安稳吃电;别的,此刻通讯模块的电磁波,也或许一起直接打到面板上,形成严峻的噪声搅扰。这时咱们就有必要回到前面的鱼骨图,依序 进行不同模块设定、方位建置、通讯环境的验证。

  精细量测验证 才干有用进步通讯质量 下降噪声搅扰

  在本文的最终,百佳泰也供给咱们依据经历概括规划出的完好验证过程,以作为开发验证时的参阅,透过这样的验证次序,才干墨守成规的下降噪声搅扰,进步通讯质量。依据图八所示,一个完好具有各式通讯模块与触控功用的设备,首要可分红以下三个验证过程:

  1. 传导测验(Conductive Test):

  在验证初始有必要先透过传导测验,准确量测出设备自身的载台噪声、接纳感度恶化景象、以及传送与承受(Tx/Rx)时的载台噪声。

  2. 电磁兼容性(Near Field EMC):

  在把握了传导测验所能获得的相关信息,并设定噪声预算后,便可进行包含天线外表电流量测、噪声电流散布量测及耦合途径丢失(Coupling Path Loss)的量测,以及相机、触控面板的噪声和射频共存外部调变。

  3. OTA测验(Over The Air Test):

  完结传导与EMC测验后,便可针对不同通讯模块进行独立与共存的量测、总辐射功率(Total Radiation Power,TRP)与全向灵敏度(Total Isotropic Sensitivity,TIS)的量测、GPS载波噪声比(C/N Ratio)的量测甚至DVB的接纳灵敏度测验。

  本文所讨论的内容尽管仅是噪声验证的其间一个比如,但咱们已能够尝鼎一脔的了解到,无线通讯信号技能的博学多才,以及搅扰掌控的技能深度。一切相关厂 商业者在开发时,均需透过更深化的研讨、更多的技能资源与精力投入,以对症下药的找出相应的量测办法及与处理方案,战胜通讯产品在规划上会发生的信号劣化 与搅扰情况。

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