1、什么是灵敏度?
高通平台灵敏度的定义是指吞吐量达到95%的时候接收信号的最大强度,也即是在信噪比能接受的情况下,其接收机能接收到的最小讯号,其公式如下:
第一项是Thermal Noise,第二项是Noise Figure,第三项是带宽,第四项是信噪比。前三项本文不展开讨论。本文件要探讨的是信噪比,也就是所谓De-sense的起源。
2、CNR和SNR有何区别?
所谓CNR 是Carrier Noise Ratio,指的是在解调(进入解调器的)前的射频信号功率与噪声功率的比值,如下图:
而SNR是gnal Noise Ratio,指的是接收机接收解调后,基带信号中有用信号功率与噪声功率的比值,如下图:
因此以整个接收机架构的角度而言,其CNR与SNR的关系如下:
虽然SNR与CNR,一个反映的是基带信号质量,而另一个反映的是射频信号质量,但是在本质上两者是一样的,亦即原则上,两者应该相等,但实际上,两者的关系如下:
因此我们得知,CNR高,不代表灵敏度就会好。但CNR低,灵敏度肯定不好,即CNR是灵敏度的充分必要条件。而De-sense 之所以会使灵敏度降低,就是因为噪声使CNR下降,如下图:
De-sense 棘手之处在于,其干扰噪声会跟讯号同一频率,无法以SAW Filter滤除。接下来我们将探讨造成Desense的几个原因,以及改善对策。
3、一个误区
相信大家都经常遇到过一种情况:做传导测试时,其灵敏度都很好,但装上天线,做耦合测试时,会有De-sense的现象,因此会认为是天线的影响,但这其实是个误解。我们以下图来做解说:
上图是耦合De-sense的机制,三者需同时成立,若少了其中一个因素,就不会有De-sense产生,当然Noise Source跟Radiator会有许多因素,但Receptor 无疑便是天线,做传导测试时,并不会装上天线,亦即少了Receptor,故灵敏度很好,但这不代表Noise Source与Radiator就不存在。换言之,其Noise Source 与Radiator一直都存在,因此需针对PCB 找寻可能的Noise Source与Radiator,并将之消除,才是解决耦合De-sense之道。
4、De-sense 解决方案
上图是常见的噪声来源,一开始可能因为范围太大,根本原因无从找起,可以采用排除法,亦即将天线周遭的组件逐一拔除,例如LCM、Camera、PMIC(当然此时要额外用电源供应器给手机供电),以找出可能为噪声来源的区块。
另一种方式,是可以采用Near Field Probe,去找出噪声来源,如下图:
- LCM
或是在MIPI讯号上,添加共模电感。当然共模电感的挑选,对于噪声的抑制能力,会有所不同,因此需仔细评估。至于如何挑选,在此就不赘述。
如果还不确定噪声是来自那一根线,可以将LCM 相关的控制讯号,高速讯号,时钟讯号走线,一根根割断,利用排除法来找出讯杂来源。
- FPC
亦或在FPC的接口处,摆放RC 滤波器[7,10]。再不然就是直接请FPC厂商修改电路,在FPC上增添稳压电容或滤波电容,如下图:
- SIM卡座
因此可以加强SIM卡座的接地,使其噪声都流到GND,减少了EMI。
而由下图可知,加强SIM Holder 后,其Desense 的情况确实改善了。
或是可以直接在其CLK 或Data讯号上加滤波电容,推荐使用33pF和1uF 并联对地都是不错的对策。
- XTAL Clock
值得注意的是,真正富含大量谐波的是数字讯号的XO_OUT,而非模拟讯号的XTAL_In、XTAL_Out,故其XTAL讯号,不能摆放旁路电容,否则会影响负载电容,进而影响震荡频率。
而在高通7系列的平台中,用的是频率稳定度较高,但耗电量与成本也同时较高,且温度承载范围较小的VCTCXO,需要一组控制电压的讯号,TRK_LO_ADJ。而TRK_LO_ADJ是以PDM(Pulse Density Modulation)波形传送控制讯号,有很强的谐波成份,
因此需要额外的RC低通滤波器,而且是靠近MSM与VCTCXO端,皆需分别摆上两组RC低通滤波器,如下图:
- 辐射
然而电源走线,因其线宽会比一般走线大上许多,某种程度上,亦为良好的辐射体。因此若前述的CLK讯号,或高速讯号,其走线离电源走线过近,则其高频噪声会耦合到电源走线,加上电源走线强大的电流,进而产生强大的辐射干扰,因此这些带有高频噪声的走线,应远离电源走线才是。
前述已知表层走线产生的辐射干扰,会比内层走线大。而电源走线,既是强大的Noise Source,也是良好的辐射体,因此当电源走线走在表层时,其两旁的GND,需狂打地 Via,因为Via有其等效电阻,而电阻值是越并越小,换言之,地Via打得越多,越能降低其两旁GND的阻抗,亦即抑制电场辐射的能力就越好,如此便可大大降低电源走线造成的辐射干扰,如下图:
而两旁GND的线宽,也不宜过细,除了能打的地Via数量会大为减少,同时也会因线宽过细,而提高阻抗,如此一来,抑制电场辐射的能力就大大降低,如下图:
另外,试想一个最糟情况,若电源走线两旁GND的线宽很宽,却完全没有地Via,由前述可知,金属没接地就是辐射体,辐射效率与金属本身尺寸大小成正相关,换言之,此时电源走线两旁的GND,会变成良好的辐射体,将电源走线耦合过来的电场辐射出去,产生强大的辐射干扰,如下图:
因此我们得知,当电源走线走在表层时,不能走在PCB边缘,两旁要有GND,其GND的线宽不能太细,且地 Via要打得够多。再谈前述的MIPI讯号,若Shielding Frame接地良好,则MIPI讯号所产生的高速噪声,自然会流到GND。
而当Shielding Frame 接地没那么良好时,此时Shielding Can就等同于辐射体,会把高速噪声辐射出去,干扰天线所接收的无线讯号,造成De-sense。
因此若要消除辐射机制,则需加强Shielding Can的接地。可将MIPI上方的Shielding Can,与Housing的金属紧密接触,加强接地,使其Shielding Can上方的噪声,都能流到GND。
当然Housing本身也需有良好的接地,如下图:
否则也会是另一个良好的辐射体,将其MIPI的高速噪声辐射出去。而倘若电池为铝制外壳,也会是良好的辐射体,若前述的CLK 讯号,或高速讯号,其走线离电池接口过近,其高频噪声有可能耦合到电池接口,再透过铝壳电池辐射出去。
前述已知电源走线因其强大电流,而为强大的Noise Source,而电池接口是一定会有VBAT走线,故其电流有可能透过电池接口流到电池的铝外壳上,产生辐射干扰,如下图:
而CLK讯号,或高速讯号,可透过走线避开电池接口的方式来避免该情况,但VBAT走线是一定离不开电池接口,故其Housing的接地很重要,如此一来,当铝壳电池放到Housing后,就会因与其紧密结合,而使其辐射机制消失,如下图:
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