标签: 噪声干扰

在上一篇的 无线产品效能改善分析与介绍 （上） 中，我们不仅介绍了天线设计与无线产品性能之间的影响，更在修改天线后发现到吞吐量(Throughput)在高衰(100m衰减)2.4GHz的RX仍有Fail现象。综合上述条件，我们初步可以研判此次的实作案例可能是受到噪声影响，导致接收性能变差。 为了方便大家理解，在今天的文章中我们会先就 RF Performance Debugging 的基本概念，以及实务上的应用一一做介绍，接着再来说明我们针对了哪些问题进行修改。 噪声干扰(Noise)的成因 所谓的噪声(Noise)，即为自身系统产生出不需要，并会影响到自身性能的各种讯号，以下就系统可能的噪声来源与解法做简单介绍。 首先需要先进行噪声来源的量测，或何处泄漏讯息导致天线接收到噪声。我们可以透过Radiation的方式，使用近场高频探棒(Near Field Probe)进行搜寻，当探棒接近噪声泄漏处或来源时，即可从频谱分析仪可以看到该频带的相对能量变化。 近场高频探棒(上图左) ：高频探棒外观结构通常有圆形或棒状，圆形探棒通常应用在大范围及快速搜寻噪声时使用，依据圆形结构的大小不同，也会影响量测区域大小与不同频率的能量强度；棒状探棒则可直接接触小区域、电路板线路与零件接脚，主要用于小范围的噪声源确认。 量测架设(上图右) ：一般来说， 频谱分析仪(Spectrum Analyzers) 只要搭配高频探棒即可操作，但若是加上 低噪声放大器(LNA) 将有助于放大噪声能量，让频谱分析仪显示噪声更加明显。 加上 低噪声放大器(LNA) 将有助于放大噪声能量，让频谱分析仪显示噪声更加明显。 噪声干扰(Noise)的解法 PCB电路噪声除错 通常处理噪声的两大方向为PCB电路与机构设计，其中PCB电路较为复杂，主要是因为诸多的电子零件都可能会是发射源，并且透过实体线路接触或高频耦合(Coupling)现象，使噪声在产品内部乱窜。 举例来说，我们可以从下图看出，噪声源 (Noise Source)透过实体连接的线路将噪声传到其他电路，而耦合现象如蓝色印刷电路的噪声跨至黄色印刷电路线，两线虽互不相连，但黄色线路却已经遭到噪声干扰。 透过上面的说明，相信大家对电路噪声路径已有了基本概念，然而在实务上的电路噪声除错过程中，我们往往会遇到一些成本上升或令人感到棘手的问题，例如： 有可能增加滤波电容、共模滤波器或大面积铺地(Ground)等，使得物料成本随之增加。 为进行电路设计的更动，PCB可能需要重新洗板，这也是成本上升的因素之一。 倘若电路设计较复杂，或是噪声除错不够确实，因此无法彻底揪出噪声源的主因，终将导致修改后的电路仍无法达到预期标准。 噪声源来自必要的重要零件。例如CPU、存储器、USB系统芯片或HDMI之类的高传输速度电路，由于无法在相关电路上增加电容、滤波器与金属屏蔽，因此可能让资料传输或散热产生问题。 一旦于实际进行电路除错时遭遇到上述限制，在实务上就会建议朝 「变更机构设计」 的方向来解决，只要机构设计良好，我们甚至可以不用修改电路，就能收到预期的成果。 机构设计噪声除错 通常进行机构设计噪声除错有数种方式，例如PCBA上的金属屏蔽、箱体(chassis)内部机构与外部机构。 以下接着介绍这几种应用范例。 PCBA的金属屏蔽 箱体(chassis)内部机构 箱体(chassis)外部机构 实测案例分享：如何有效改善噪声干扰 在花了一些篇幅说明了噪声与其解法的基础概念后，现在让我们回到手上的案例，看看百佳泰是如何逐一改善噪声干扰的现象。 根据 无线产品效能改善分析与介绍 （上） 中的设定，此时天线位置已经更改为「前墙1支、后墙1支」，所以在噪声的处理也要分别对2支天线独立处理。 Step 1：透过RF Probe与频谱分析辅助，找出有噪声泄漏的地方，并增加Solution进行应对。 Step 2：在经过上述的Solution调整后，可使用频谱分析仪来观察噪声的变化。 经过噪声除错后，前墙天线(Front Antenna)的噪声强度降低约8dB、后墙天线(Real Antenna)则降低3dB。这也反映出以上的Solution确实有效地减少天线接收到噪声的状况。 接下来可以进行吞吐量测试(Throughput Test)，确认噪声solution对Throughput的改善程度。如下表所示，我们透过天线(ANT)的位置调整，以及噪声除错的解决方案尝试一步步改进，可以看到20m 模拟衰减距离的RX吞吐量不断优化，代表本次执行的除错方法皆有达到功效。 接着为100m 衰减距离的吞吐量测试，在下表中我们同样可以看到吞吐量的改善，但HT20 CH1与CH11仍无法达到SPEC要求40Mbps。 如同前文提到，各种除错手段虽能够改善，但并不代表能够百分百达到预期目标。事实上，若依照实际应用上的情况来分析，100m其实已经是相当远的距离，对终端使用者的体感差异几乎可说是微乎其微，但RX却仍可有一定的吞吐量，持平而论，这已经是相当不错的表现。 实测案例成果 在考量到除错手段的成本提升，以及项目进度、市场竞争与终端使用者使用体验等状况评估。本次分享案例中的客户最终决定采用由百佳泰团队提出的专业建议，以及根据效果、成本及导入可行性等全盘考量后所的解决方案，最终不仅成功地完成该产品的修正，更如期让产品顺利上市。

屏蔽技术   噪声屏蔽必须要考虑到电容和电感耦合。导体与周围的接地屏蔽之间，会产生很大的电容耦合。 在开关网络中，这种屏蔽与同轴缆线和连接器的形状相关。 对于频率在 100 MHz 以上信号，建议使用双屏蔽同轴电缆， 以降低屏蔽效应。减少回路面积是最有效的应对电磁耦合的方法。 在几百千赫以下的信号，双绞线可以抵御电磁耦合。使用屏蔽双绞线， 可免于电磁和电容拾取。对 1MHz 以下的信号可以提供的最大保护，但要确保屏蔽不是会用户传导任何信号。           分离小信号和大信号   如果信号之间的强度比超过 20 ： 1 ，就应该从物理上尽可能将他们分隔开来。 应审查整个信号路径， 包括布线和相邻的连接。 所有未使用的线应该接地或接 低端，并放置在感应线通道中。在数据采集系统或 ATE 系统中，在使用螺丝在接口上固定接线时，切勿影响到临近通道的连接和功能。       无线辐射干扰 大部分电压测量仪器， 如果周围有高强度、 高频率的信号时， 可能会生成虚假读数。高频信号的可能来源包括附近的无线电和电视发射台、 老款的 计算机CRT监视器和手机。高频能量可能会耦合到数字万用表系统的布线中。 若要减少干扰，请尝试让缆线连接尽量减少地暴露在高频射频源附近。 如果您需要完成的测试对来自仪器的射频辐射极其敏感， 这就需要一个扼流线圈， 使用在系统电缆连接中，如下所示， 以衰减仪器的辐射。 请注意， 您最有可能在您的计算机显示器视频输入电缆上看到这种线圈。 看上去像圆柱型的，在它的中心 就会有一个小的扼流线圈。     热电动势误差   热电动势误差是在小直流电压测量中最常见的来源。 当您在不同的温度下使用不同的金属电路连接时，会生成热电势电压。每个金属 -- 金属连接处，都会形成热电偶， 它生成的电压与连接处的温度差成正比。 您应采取必要的预防措施，尽量减少热电偶电压， 以及在低电压测量中的温度变化。 最佳的连接是使用铜 -- 铜的卷压连接方式。下表显示了常见的不同金属之间的连接产生的热电势。   请继续关注本文的第三部分 专家谈测试：通过正确的线缆连接减少测量误差（一） 专家谈测试：通过正确的线缆连接减少测量误差（二） 专家谈测试：通过正确的线缆连接减少测量误差（三）