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載台雜訊與WLAN資料吞吐量
   
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  作者:碩訊科技股份有限公司 發表於2011/5/25 下午 04:23:24
 

載台雜訊與WLAN資料吞吐量

  碩訊科技股份有限公司

根據Intel統計,今年全球將銷售超過2億台筆記型電腦,以及7.5億的消費性電子產品,Wi-Fi Direct 也因此大行其道。以目前市面上的產品來說,數位相機,數位攝影機,MP3,數位相框,甚至連印表機跟喇叭,都有運用Wi-Fi Direct 的技術。而未來所有需要透過傳輸線的電子產品將全部被Wi-Fi Direct所取代,也因此Wi-Fi 的效能好與壞將會決定你的商品能不能被大眾所接受。市面上各大品牌都有制訂自己的測試環境,量測天線,參考的AP,Through-put計算方式以及各自不同的Pass / Fail criteria。因此碩訊針對這些大廠建立了四間能滿足所有測試需求的chamber如圖1。



(圖一)模組化小型電波暗室(Vertical Cell)

 

本公司擁有多年的無線效能測試經驗,包含WLAN,藍芽,Wi-Fi以及各種天線的測試。將以市面上最知名的平板電腦-Apple iPad 以及 Samsung Galaxytab 為例,利用TRC的各項測試設備及方式,將測試結果做完整的分析。 比較iPad與Galaxytab的WLAN Through Put(如表1)。在free space loss 85dB以上時,iPad開始領先Galaxytab。很多人會以為這是與AP離200米以上的距離,在實用上不會有太大的影響。但平板電腦的手握位置可能是天線(筆電的天線在面板的上方),也可能將平板電腦放在桌上或腿上,加上環境的阻隔,200米的Free Space對平板電腦而言不到20米。 Galaxytab有兩隻天線而iPad只有一隻 (都是博康的晶片),這也說明了free space loss 85dB以下為何Galaxytab Through Put會高於iPad。但是可能是平板電腦跟AP距離不到10米且中間無障礙物的環境,這在現實環境中多少機率?

表1: Free Space Loss VS. Through put

載台雜訊(Platform Noise)分析

載台雜訊是指產品動作時產生之雜訊對無線通信頻道的干擾,造成接收感度的惡化(Degradation of Sensitivity, DeSense)而使通訊距離縮短或資料吞吐量下降。最簡單的載台雜訊分析就是將平板電腦放在PNS上,使用快速掃描的功能,像iPad這麼大的產品約五分鐘就可得出結果(如果是Galaxytab那就更快了)。PNS直接在產品的照片上以顏色的深淺表示雜訊的能量,照片左上方的頻譜表示照片上所頻率點的最大值,當拉動視窗變動所選擇的頻段時照片上的顏色也跟著改變。 在照片上移動浮標,照片右上方的頻譜會隨著浮標的位置改變該位置的雜訊頻譜分部顯示。利用PNS快速掃描的功能在不到10分鐘的時間就可完成iPad及Galaxytab的雜訊掃描(如圖2、圖3),每一個位置的雜訊頻分佈可以excel輸出,產品在不同頻帶的雜訊分部也可以jpg的檔案格式輸出照片。

(圖二)iPad 2D 表面雜訊掃描
(圖三) Galaxytab 2D表面雜訊掃描
 

iPad與Galaxytab雜訊功率比較

由PNS使用者介面右上方顯示,Galaxytab比iPad的外部表面雜訊高40dB(圖4、圖5)。當然,這樣並不代表Galaxytab的最大雜訊與受干擾的程度比iPad高40dB,還要看雜訊以及天線的表面電流分佈(使用PNS測量,如圖6)。 有了這兩項量測結果,加上載臺雜訊傳遞損失(主要是受產品組成的結構影響)就可以很客觀的分析Galaxytab的Through Put由75dB path loss開始衰退。

(圖四) iPad 3G 表面掃描最大值
(圖五)Galaxy Tab 表面掃描最大值
(圖六)PNS天線表面電流量測
 
將Galaxytab顯示器關掉及開至最亮,可發覺Touch Screen Controller (對照網站上的拆解照片)的雜訊功率明顯的變強(圖7)。此外,也可撥放MP3(Audio Codec),MPEG4 (Display IC + Audio)或者使用視訊電話 (Camera +Audio Codec + Display IC…..)逐步的測試Galaxytab各個電路對WLAN所造成的干擾,也可以針對IC電路使用PNS 3D掃描,了解IC的干擾情形以及包圍IC的鐵殼是否有足夠的隔離度。值得注意的是,Galaxytab放在腿上或桌上,或者手握位置的改變,雜訊分怖也會因而產生變化。
(圖七)

系統雜訊分析儀量測Galaxytab

Galaxytab外部系統雜訊功率掃描比iPad高出40dB,但這不一定就表示Galaxytab的 無線網路受干擾的程度比iPad高40dB,還要加上這兩個產品各自的雜訊型態(Noise Profile,雜訊在通訊頻帶內的頻譜分佈以及時間軸上出線的機率)以及雜訊傳遞損失,如圖8、圖9,使用系統分析儀(System Noise Analyzer,SNA)及轉接板或Balun-Balun背對背連接量測WLAN所接受到的雜訊,儀器內部的IQ解調器會依照表2所示的各種解調方示而採取不同的取樣頻率及量測週期。以GPS BPSK的解調為例,SNA在IQ的取樣率為4M,取樣時間為20ms(一個Bit)或6秒(一個子框架),計算雜訊對IQ解調的相位及振幅的錯誤,並以高斯雜訊校正大小

(圖八)螢幕最亮時SNA天線雜訊分佈
(圖九)螢幕最暗時SNA天線雜訊分
表2: Eb/N0 與錯誤率對照

調變/解調技術依照Eb/N0的條件支持不同的連線資料吞吐量

將iPad及Galaxtab分別置於Vertical Cell內,量測資料吞吐量(表3),設定連線AP的發射功率為+20dBm,自由空間損失為90dB,天線效率及 mismatching等損失預估收到的訊號約在-73dBm~-80dBm之間。對照IEEE802.11g Minimum Receive Sensitivity 24Mbps: -74dBm, 18Mbps: -77dBm, 12Mbps: -79dBm,其不同的調變方式所支援的速度為: BPSK@6 and 9Mbps,QPSK@12 and 18 Mbps。依照上圖在BER<1%的情況下(以QPSK的調變技術)其Eb/N0須大於7.5dB,如果無法符合,WLAN會將調變技術改為BPSK,其Eb/N0只須大於4dB。

表3: 衰減90dB時資料吞吐量比較
Galaxytab在45度時,ThroughPut為10Mbps,但是在90度的位置只有2.3Mbps。當載台雜訊干擾很大時,不同方向的連線資料吞吐量很難維持一致,產生通訊的死角.即使如Galaxytab使用Diversity Antenna仍無助於死角的改善(Diversity Antenna會在兩隻天線間自動選取接收較好的天線作為接收天線,以改善通信死角).將Galaxytab的螢幕開到最亮時,由上方的測試結果得知通信死角增大。而iPad其各角度的連線資料吞吐量約在8Mbps,同時將螢幕開到最亮時也無明顯的衰退。
 

藍芽與無線網路的共存

平板電腦以上圖的設定方式加上藍芽撥放MP3,比較在這兩種情況下,藍芽與無線網路的共存(表4)。iPad的無線網路資料吞吐量由原先的8Mbps均方向性,在藍芽撥放MP3的情況下,無線網路資料吞吐量在315,0,45這三個角度為6Mbps,其餘角度均為通信的死角.將iPad的螢幕開至最亮,通信的死角變得更大。 Galaxytab其無線網路資料吞吐量在藍芽撥放MP3的情況下僅0度的位置為2.6Mbps其餘角度均為死角。當螢幕開至最亮時不論任何角度均無法通信。

表4: 衰減90dB時BT/WLAN共存比較
從平板電腦各種的無線網路連線資料吞吐量測試的結果中,分析各種無線效能的惡化。將螢幕開至最亮,撥放MP3音樂或MPEG4的電影,使用視訊會談,儲存或打開檔案或者玩線上遊戲等,這些功能的操作都代表著某一部份的電路在動作。值得注意的是使用者的產品經驗,大多數平板電腦的使用者都使用過筆電,他們很清楚的知道上述功能的操作造成無線效能的惡化程度。 平板電腦的方便攜帶以及觸控介面提供使用者更便利的操作,但是無線效能(WWAN, WLAN, WPAN等)卻更難符合消費者過去對筆電的使用經驗,在講求產品差異化的今天,只有確實將晶片商的無線效能規格實現於平板電腦上,降低各種操作狀態(除了上述的電路之外,使用者手持的位置,放置於腿上…等,這些都是操作的狀態)所造成的效能惡化,這是平板電腦非常重要的產品差異化。

 

 
分類:數位終端設備/應用加值軟體
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