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:

  1. 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。
  2. 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。
  3. 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。
  4. 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(Noise)

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。

 

根据上一篇中的设定,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经过述的Solution调整,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。

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。

您最信赖的检测专家

近年来除了桌上型计算机扩增WLAN功能外,与IOT相关的无线连网产品也越来越多,包含象是监视器、汽机车、家庭电器也逐步开始追加Wireless功能,以做为远端通讯、控制、影音等用途。这对公司规模相对不大或是产品刚刚踏入RF领域的企业来说,可能并没有专业或足够的RF工程师能协助处理如同本文所介绍的Throughput、噪声量测、噪声对策等相关的高频问题。

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