浅谈现代WLAN系统中Wireless Desense测试的重要性

随着无线通信技术,例如5G、WiFi、蓝牙等不断推层出新,以及连网产品快速普及,带给人们更快捷便利的生活;然而,无线信号干扰的问题却是日渐严重。无线信号干扰源不胜枚举,而在日常生活环境中,最容易遇到的无线干扰有三种:

1.同频干扰(Co-channel interference):在同一场域不同装置同时使用相同无线频道,例如同样使用2.4GHz Channel 6的微波炉和Wi-Fi装置便会互相产生干扰而降低性能。

2.临频干扰(Adjacent channel interference):异于同频干扰,临频干扰是相邻频道的“距离”不够远,以导致信号能量干扰到邻近的几个频道。

3.射频干扰(RF interference):因应便携式设备热潮以及多元化的功能应用,相关模块设计已往轻薄短小发展,系统内的辐射信号对自身天线性能产生干扰。

面对第三种由系统内不同通讯模块彼此产生的射频干扰,因没有一套举世通用的标准去预防、解决,使得产品达到优化设计难上加难,尤其在极其狭小与精简的空间中,组件彼此间更容易产生噪声干扰、而影响到其传输表现。本篇文章将聚焦日常生活中常见的射频干扰问题,包括USB 3.1 设备(例如USB Dongle)在连接系统(例如笔记本电脑)时,与系统Wi-Fi 2.4GHz信号或是蓝牙2.4GHz信号之间所产生的射频干扰(RF interference),针对这些干扰问题,亦提供相对应的测试解决方案。

首先来介绍De-sense 接收感度恶化(Degradation of Sensitivity),它是目前在产品设计、开发、量产中普遍面临的问题。Desense棘手之处在于,其干扰与被干扰的信号频率相近,无法以简单的滤波器滤除,所以通常须采取屏蔽(Shielding)、远离噪声源等硬件改善的方法,来破坏噪声传输路径达到降低干扰。然而,越趋小型化的电子产品,阻挡噪声路径的方案,效果也越来越不易设计与掌控。

其次,由系统内部发射的干扰信号虽小,但是因为距离接收天线非常近,危害影响却很大。此种干扰会降低天线的信噪比(Signal-to-noise ratio),进而造成天线的吞吐量(Throughput)大幅下降,其中较常见的状况即为USB 3.1 设备在连接系统时,与系统Wi-Fi 2.4GHz信号之间所产生的干扰,高速传输接口与无线通信出现严重抵触,使得现行许多设备无法两者并存。

图1: 连接USB3 设备后,噪声比未连接时多了 20dBm。 (Source: Intel Document: 327216-001 P.10)

 

USB 3.1 所产生的信号干扰可能来自接头、线材及设备本身,如果Wi-Fi的天线靠近信号辐射的位置,则来自USB 3.1的干扰较易影响系统的无线接收器的灵敏度,这会导致无线网络质量的下降。

图2: 干扰信号来自接头、线材以及设备本身。(Source: Intel Document: 327216-001 P.9)

而目前系统不断走向更为轻薄的体积发展,也使用了多功能SoC芯片,在单一芯片内能同时拥有Wi-Fi、蓝牙和USB 3.1三种功能,使得系统天线和USB端口在产品设计上若是相对位置太相近,将会恶化干扰问题(见图标1图标2),所以只要是配有USB 3.1接口的系统,为了避免无线网络速率下降或是联机范围缩小等问题,在线材及设备上对无线干扰的遮蔽就变得相当重要。

 

无线干扰的潜在风险

面对产品设计不良的而造成的无线干扰问题,对于消费者以及厂商会带来什么样的影响呢?

消费者: 若产品质量可被消费者认同,则消费者对于该品牌可能会抱持较正面的态度,甚至加速其购买行为。

厂商: 因产品质量不佳带来许多负面效果,例如:

  1. 增加产品开发时间
  2. 增加产品研发费用
  3. 增加退货的机会
  4. 销售量的减少
  5. 降低用户对公司质量的信任
  6. 降低使用者对品牌的忠诚度
  7. 降低公司品牌的形象

 

无线干扰Wireless Desense测试方案

为了解决上述USB 3.1对无线干扰的问题,这里引出了 Wireless De-sense 的测试方案,目的是为了让厂商能透过专业测试实验室进行测试来确认产品质量、建立良好的品牌信誉以立足于庞大的产业链中。Wireless Desense不但能够针对系统产品,亦能够针对USB配件、蓝牙配件,提供相对应的验证服务。

Wireless Desense测试环境 

  • 测试平台、信号衰减器以及AP分别放置电波隔离室(箱),以排除其他干扰变量发生
  • 测试平台(SUT或是DUT)可为笔记本电脑、USB Docking、蓝牙键盘、蓝牙音箱等

图3: Wireless Desense测试环境

Wireless Desense实测案例

1.Wireless Performance Degradation Test

测试平台:两台笔记本电脑,编号为USB#0和USB#1

测试手法:在3段不同的讯号强度,分别为强信号、中等信号以及弱信号下,将同一个USB 3.1装置插入两台笔记本电脑系统的USB接口,量测USB装置连接与未连接系统之间系统Wi-Fi 接收与传送吞吐量流量差异变化。

测试标准:

拟定严格的吞吐量流量差异标准,以确保一般使用者在笔记本安插USB装置时,不会影响笔记本连网速度以及稳定性等问题。

  • 强信号 (RSSI: -45 ~ -50 dB)下,吞吐量流量差异标准 <= 5%
  • 中等信号 (RSSI: -68 ~ -72 dB)下,吞吐量流量差异标准 <= 5%
  • 弱信号 (RSSI: -78 ~ -81 dB)下,吞吐量流量差异标准 <= 10%

测试结果:

根据报告显示,在强信号(Strong Signal)的测试状态下,不管是USB#0笔记本电脑或是USB#1笔记本电脑,两台系统的Wi-Fi 接收或是传送 吞吐量流量差异都在合格范围低于5%标准值。

在中等信号(Medium Signal)测试状态下,USB#0笔记本电脑得到的传送数值-7.43%以及接收数值-8.05%皆高于标准值5%,这项结果显示,系统Wi-Fi在中等信号下,将会明显得被USB装置的信号影响。

在弱信号(Weak Signal)的测试状态下,USB#0笔记本电脑的接收、传送以及USB#1笔记本接收的吞吐量流量差异,皆在合格范围低于5%标准值。唯独USB#1笔记本的发送数值为-11.04%高于标准值5%,对应到日常生活中的常见问题,例如笔记本电脑在上传档案时会发生延迟现象。

WiFi desense test

结语

Desense 并非单一产品才会发生的问题,任何组件在运作时,工作频率只要是相近的,都有可能会发生因干扰而造成信号接收感度下降的情况,这些从组件发出的信号若是因设计不良,就很有可能会造成相互干扰。传输接口,例如HDMI、触控屏幕、相机模块、固态硬盘及无线芯片组/无线模块(如Wi-Fi、蓝牙、GPS)等,均需透过缜密的量测、计算,才能精准找出最佳的内建位置,避免彼此间的干扰,将所有可能的问题风险降至最低。

本文所探讨的内容虽然仅是噪声验证的其中一种状况,然而,我们已可以见微知著了解到无线通信技术的博大精深,以及信号干扰掌控的技术深度。厂商在开发时,均需透过更深入的研究、更多的技术资源与精力投入,或是透过第三方专业实验室协助,开发相应的量测方式及与测试解决方案。本文提及的测试环境以及测试手法等等,看似不难,然而,在执行测试时需要专业知识以及测试经验,例如在不同大小的屏蔽室,该如何调整DUT与衰减器之间的距离以及天线角度调整等等。

文章插图及数据来源:Allion

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本文由作者 Tina 发布在 TNEXT , 转载请联系service@tnext.org授权处理,获得授权后请保留文章的完整性并附上原文链接: https://tnext.org/4293.html

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