Allion Labs / Jim Wang

隨著無線通訊技術,例如5G、W-Fi、藍牙等不斷推層出新,以及連網產品快速普及,帶給人們更快捷便利的生活;然而,無線訊號干擾的問題卻是日漸嚴重。無線訊號干擾源不勝枚舉,而在日常生活環境中,最容易遇到的無線干擾有三種:

1. 同頻干擾(Co-channel Interference):在同一場域不同裝置同時使用相同無線頻道,例如同樣使用2.4GHz Channel 6的微波爐和Wi-Fi裝置便會互相產生干擾而降低效能。

2. 臨頻干擾(Adjacent Channel Interference):異於同頻干擾,臨頻干擾是相鄰頻道的”距離”不夠遠,以導致訊號能量干擾到鄰近的幾個頻道。

3. 射頻干擾(RF Interference):因應可攜式裝置熱潮以及多元化的功能應用,相關模組設計已往輕薄短小發展,系統內的輻射訊號對自身天線效能的產生干擾。

面對第三種由系統內不同通訊模組彼此產生的射頻干擾,因沒有一套舉世通用的標準去預防、解決,使得產品達到最佳化設計難上加難,尤其在極其狹小與精簡的空間中,元件彼此間更容易產生雜訊干擾、而影響到其傳輸表現。本篇文章將聚焦日常生活中常見的射頻干擾問題,包括USB 3.1 設備(例如USB Dongle)在連接系統(例如筆電)時,與系統Wi-Fi 2.4GHz訊號或是藍牙2.4GHz訊號之間所產生的射頻干擾(RF interference),針對這些干擾問題,亦提供相對應的測試解決方案。

首先來介紹De-sense 接收感度惡化(Degradation of Sensitivity),它是目前在產品設計、開發、量產中普遍面臨的問題。Desense棘手之處在於,其干擾與被干擾的訊號頻率相近,無法以簡單的濾波器濾除,所以通常須採取屏蔽(Shielding)、遠離雜訊源等硬體改善的方法,來破壞雜訊傳輸路徑達到降低干擾。然而,越趨小型化的電子產品,阻擋雜訊路徑的方案,效果也越來越不易設計與掌控。

其次,由系統內部發射的干擾訊號雖小,但是因為距離接收天線非常近,危害影響卻很大。此種干擾會降低天線的訊雜比(Signal-to-noise ratio),進而造成天線的吞吐量(Throughput)大幅下降,其中較常見的狀況即為USB 3.1 設備在連接系統時,與系統Wi-Fi 2.4GHz訊號之間所產生的干擾,高速傳輸介面與無線通訊出現嚴重牴觸,使得現行許多設備無法兩者並存。

圖1: 連接USB3 設備後,雜訊比未連接時多了 20dBm (Reference Source: Intel Document: 327216-001 P.10)

USB 3.1 所產生的訊號干擾可能來自接頭、線材及設備本身,如果Wi-Fi的天線靠近訊號輻射的位置,則來自USB 3.1的干擾較易影響系統的無線接收器的靈敏度,這會導致無線網路品質的下降。

圖2: 干擾訊號來自接頭、線材以及設備本身(Reference Source: Intel Document: 327216-001 P.9)

而目前系統不斷走向更為輕薄的體積發展,也使用了多功能SoC晶片,在單一晶片內能同時擁有Wi-Fi、Bluetooth和USB 3.1三種功能,使得系統天線和USB連接埠在產品設計上若是相對位置太相近,將會惡化干擾問題(見圖示1、圖示2),所以只要是配有USB 3.1介面的系統,為了避免無線網路速率下降或是連線範圍縮小等問題,在線材及設備上對無線干擾的遮蔽就變得相當重要。

 

無線干擾的潛在風險

面對產品設計不良的而造成的無線干擾問題,對於消費者以及廠商會帶來什麼樣的影響呢?

消費者:若產品品質可被消費者認同,則消費者對於該品牌可能會抱持較正面的態度,甚至加速其購買行為。

廠商:因產品品質不佳帶來許多負面效果,例如:

  1. 增加產品開發時間
  2. 增加產品研發費用
  3. 增加退貨的機會
  4. 銷售量的減少
  5. 降低使用者對公司品質的信任
  6. 降低使用者對品牌的忠誠度
  7. 降低公司品牌的形象

 

無線干擾Wireless Desense測試方案

為了解決上述USB 3.1(亦或是Bluetooth)對無線干擾的問題,百佳泰提出了 Wireless De-sense 的測試方案,目的是為了讓廠商能透過專業測試實驗室進行測試來確認產品品質、建立良好的品牌信譽以立足於龐大的產業鏈中。Wireless Desense不但能夠針對系統產品,亦能夠針對USB配件、Bluetooth配件,提供相對應的驗證服務。接下來,就讓筆者來分享百佳泰打造的專業測試環境與實測案例吧!

Wireless Desense測試環境 

  • 測試平台、訊號衰減器以及AP分別放置電波隔離室(箱),以排除其他干擾變數發生
  • 測試平台(SUT或是DUT)可為筆電、USB Docking、藍牙鍵盤、藍牙音箱等

圖3: Wireless Desense測試環境

Wireless Desense實測案例

1.Wireless Performance Degradation Test

測試平台: 兩台筆電,編號為USB#0和USB#1

測試手法: 在3段不同的訊號強度,分別為強訊號、中等訊號以及弱訊號下,將同一個USB 3.1裝置插入兩台筆電系統的USB port,量測USB裝置連接與未連接系統之間系統Wi-Fi Tx與Rx Throughput 流量差異變化。

測試標準: 百佳泰訂定嚴格的Throughput流量差異標準,以確保一般使用者在筆電安插USB裝置時,不會影響筆電連網速度以及穩定性等問題。

  • 強訊號 (RSSI: -45 ~ -50 dB)下,Throughput流量差異標準 <= 5%
  • 中等訊號 (RSSI: -68 ~ -72 dB)下,Throughput流量差異標準 <= 5%
  • 弱訊號 (RSSI: -78 ~ -81 dB)下,Throughput流量差異標準 <= 10%

測試結果:  

根據報告顯示,在強訊號(Strong Signal)的測試狀態下,不管是USB#0筆電或是USB#1筆電,兩台系統的Wi-Fi Tx或是Rx Throught流量差異都在合格範圍低於5%標準值。

在中等訊號(Medium Signal)測試狀態下,USB#0筆電得到的Tx數值-7.43%以及Rx數值-8.05%皆高於標準值5%,這項結果顯示,系統Wi-Fi在中等訊號下,將會明顯得被USB裝置的訊號影響。

在弱訊號(Weak Signal)的測試狀態下,USB#0筆電的Tx、Rx以及USB#1筆電Rx的Throughput流量差異,皆在合格範圍低於5%標準值。唯獨USB#1筆電的Tx數值為-11.04%高於標準值5%,對應到日常生活中的常見問題,例如筆電在上傳檔案時會發生Lag現象。

RSSI Type Traffic Throughput (Mbps) w/o dongle Throughput (Mbps) w/ dongle Throughput Drop Rate(w/ Dongle-w/o Dongle) / (w/o Dongle) Criteria
USB #0 Laptop RSSI: -45 ~ -50 dB (Strong) Tx 180.0 176.0 -2.22% <= 5%
Rx 179.0 172.0 -3.91% <= 5%
RSSI: -68 ~ -72 dB (Medium) Tx 175.0 162.0 -7.43% <= 5%
Rx 174.0 160.0 -8.05% <= 5%
RSSI: -78 ~ -81 dB (Weak) Tx 94.3 91.6 -2.86% <= 10%
Rx 93.1 87.9 -5.59% <= 10%
USB #1 Laptop RSSI: -45 ~ -50 dB (Strong) Tx 180.0 176.0 -2.22% <= 5%
Rx 178.0 175.0 -1.69% <= 5%
RSSI: -68 ~ -72 dB (Medium)  Tx 179.0 175.0 -2.23% <= 5%
Rx 173.0 168.0 -2.89% <= 5%
RSSI: -78 ~ -81 dB (Weak) Tx 90.6 80.6 -11.04% <= 10%
Rx 91.6 85.6 -6.55% <= 10%
2.Bluetooth HID Device Co-existence Test

測試平台: 兩台筆電,編號為USB#0和USB#1

測試手法: 在3段不同的訊號強度,分別為強訊號、中等訊號以及弱訊號下,將同一個USB 3.1裝置插入兩台筆電系統的USB port,確認USB裝置連接與未連接系統時,藍牙鍵盤與藍牙滑鼠皆可順利且正常的操作。

測試標準: 透過專業測試人員嚴加判斷測試結果,確保一般使用者在筆電安插USB裝置時,不會影響藍牙鍵盤或是藍牙滑鼠使用上的不順暢。

  • 強訊號 (RSSI: -45 ~ -50 dB)下, Keyboard/ Mouse操作無任何延遲以及中斷的現象
  • 中等訊號 (RSSI: -68 ~ -72 dB)下, Keyboard/ Mouse操作無任何延遲以及中斷的現象
  • 弱訊號 (RSSI: -78 ~ -81 dB)下,Keyboard/ Mouse操作無任何延遲以及中斷的現象

測試結果: 根據報告顯示,無論在在強訊號(Strong Signal)、中等訊號(Medium Signal)亦或是弱訊號(Weak Signal)的測試狀態下,不管是USB#0筆電或是USB#1筆電,藍牙鍵盤或是藍牙滑鼠在操作上無任何延遲以及中斷現象。

3.Bluetooth Audio Streaming Test

測試平台: 兩台筆電,編號為USB#0和USB#1

測試手法:在3段不同的訊號強度,分別為強訊號、中等訊號以及弱訊號下,將同一個USB 3.1裝置插入兩台筆電系統的USB port,同時播放Youtube 4K影片,確認USB裝置連接與未連接系統時,藍牙音箱仍可順利正常播放聲音,不會有任何延遲或破音情況發生。

測試標準: 透過專業測試人員嚴加判斷測試結果,確保一般使用者在筆電安插USB裝置時,播放中的Youtube 4K影片,不會受到USB訊號影響,而能夠透過藍牙音箱正常播放聲音。

  • 強訊號 (RSSI: -45 ~ -50 dB) 下,聲音正常播放、沒有任何延遲或破音情況發生
  • 中等訊號 (RSSI: -68 ~ -72 dB) 下,聲音正常播放、沒有任何延遲或破音情況發生
  • 弱訊號 (RSSI: -78 ~ -81 dB) 下,聲音正常播放、沒有任何延遲或破音情況發生

測試結果: 根據報告顯示,無論在在強訊號(Strong Signal)、中等訊號(Medium Signal)亦或是弱訊號(Weak Signal)的測試狀態下,不管是USB#0筆電或是USB#1筆電,藍牙音箱皆能正常播放聲音,沒有任何延遲或破音。

結語

Desense 並非單一產品才會發生的問題,任何元件在運作時,工作頻率只要是相近的,都有可能會發生因干擾而造成訊號接收感度下降的情況,這些從元件發出的訊號若是因設計不良,就很有可能會造成相互干擾。傳輸接口,例如HDMI、觸控螢幕、相機模組、固態硬碟及無線晶片組/無線模組(如Wi-Fi、Bluetooth、GPS)等,均需透過縝密的量測、計算,才能精準找出最佳的內建位置,避免彼此間的干擾,將所有可能的問題風險降至最低。

本文所探討的內容雖然僅是雜訊驗證的其中一種狀況,然我們已可以見微知著了解到無線通訊技術的博大精深,以及訊號干擾掌控的技術深度。廠商在開發時,均需透過更深入的研究、更多的技術資源與精力投入,或是透過第三方專業實驗室協助,開發相應的量測方式及與測試解決方案。本文提及的測試環境以及測試手法等等,看似不難,然在執行測試時需要專業知識以及測試經驗,例如在不同大小的Shield Room,該如何調整DUT與衰減器之間的距離以及天線角度調整等等。

Wireless Desense測試亦在百佳泰推出的系統周邊配件資格認證計畫中,扮演舉足輕重的角色;隨著輕薄型電腦市占率逐年增高,相對帶動了周邊零配件的需求並且帶動市場的蓬勃發展,百佳泰與時俱進,持續開發的系統周邊配件資格認證計畫,尤以Mac配件資格認證最具代表性,期望能夠協助製造商在早期階段驗證產品與系統的相容性。一旦產品通過測試後,百佳泰將會提供測試報告及證書作為產品品質證明。通過品質測試的產品在市場上更能表現出與一般產品的差異性:

  1. 成為市場上一流的產品
  2. 具備創新與排他性
  3. 深受市場消費者信賴的產品
  4. 消費市場上的品質保證

無論您是供應商、品牌商、電商及通路商,百佳泰都能夠在品質證明上助您一臂之力。