多模多頻無線行動通訊系統電磁干擾與防護的探討

國

立

交

通

大

學

電機學院 電子與光電學程

碩 士 論 文

多模多頻無線行動通訊系統電磁干擾與防護的探討

Investigation of Multi-mode and Multi-band wireless system Electro-Magnetic

Interference and Compatibility

研 究 生：楊惠鈞

指導教授：高曜煌 教授

黃遠東 教授

多模多頻無線行動通訊系統電磁干擾與防護的探討

Investigation of Multi-mode and Multi-band wireless system Electro-Magnetic

Interference and Compatibility

研 究 生：楊惠鈞 Student：Hui-Chun Yang 指導教授：高曜煌 Advisor：Yao-Huang Kao 黃遠東 Advisor：Yang-Tung Huang 國 立 交 通 大 學

電機學院 電子與光電學程

碩 士 論 文 A Thesis

Submitted to College of Electrical and Computer Engineering National Chiao Tung University

in partial Fulfillment of the Requirements for the Degree of

Master of Science in

Electronics and Electro-Optical Engineering July 2009

Hsinchu, Taiwan, Republic of China

多模多頻無線行動通訊系統電磁干擾與防護的探討 學生：楊惠鈞 指導教授：高曜煌 黃遠東 國 立 交 通 大 學 電 機 學 院 電 子 與 光 電 學 程 碩 士 班 摘 要 行動裝置無縫連結的需求與日俱增，是無線通訊產業不斷創新的動力，整合通 訊、計算、全球定位系統等功能是今天無線通訊一個不可抵抗的趨勢。系統製造商對 於整合多個通訊標準於單一設計平台的要求日益迫切。這些多模平台必需滿足尺寸 小、方便攜帶又省電，而且訊號採用不同頻帶、不同調變，佔據的頻寬也不同。迅速 整合各自獨立的技術，造就今天日益增強複雜性的無線通訊。本文研究包含 GSM 四頻 (850MHz、900MHz、1800MHz、1900MHz)、WCDMA 三頻(Band I、II、V 分別是 850MHz、1900MHz、2100MHz)、WiFi、Bluetooth 和 GPS 的多頻多模筆記型電腦、PDA 手機、3.5G HSDPA USB 無線網卡之干擾偵測，並提出解決方案，以滿足省電、低成 本、小體積等需求，並符合通訊規範。

Investigation of Multi-mode and Multi-band wireless system Electro-Magnetic Interference and Compatibility

student：Hui-Chun Yang Advisors：Dr. Yao-Huang Kao

Dr. Yang-Tung Huang

Degree Program of Electrical and Computer Engineering National Chiao Tung University

ABSTRACT

The seamless connection demand grows with each passing day to the wireless mobile device, and it is the motive force that the wireless communication industry is innovating constantly. It is a trend that can't be resisted of wireless communication

today to combine functions such as the communication、calculation、global positioning

system, etc..in a system. That systematic manufacturers try to combine the requirement in the single design platform of a lot of communication standards become

urgently day by day. These model's platforms must meet size、easy carry and save the

electricity, and the signal adopts different frequency bands, with different modulation method, the bandwidth that occupied are also different. Combine independent technology rapidly, bring up, strengthen complicate wireless communication day by

day today. The examples that this text puts forward are GSM four Bands(850MHz、

900MHz、1800MHz、1900MHz), WCDMA three Bands is 850MHz, 1900MHz,

2100MHz separately (Band I、II、V)、WiFi、Bluetooth and GPS in wireless mobile

device such as Notebook、PDA phone and 3.5G HSDPA USB dongle . The text focus

on EMI detection and solution. Power saving, low cost and small volume will be satisfied to meet communication standard specification.

誌

謝

本論文得以順利完成，首先要感謝我的指導教授高曜煌博士及黃遠東博士，在研究生生 活中，無論電機領域的專業或生活上的待人處事，都使我有很大的收穫。此外，感謝吳霖堃 教授與林宏澤博士撥冗擔任我的口試委員，提供寶貴的意見。 最後，感謝我的家人，他們的支持使我可以專心於研究，並完成這份論文。 僅以此論文獻給所有關心我、愛我的人。

目

錄

中文提要 i 英文提要 ii 誌謝 iii 目錄 iv 表目錄 v 圖目錄 vi 第一章 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 緒論 研究動機 多模多頻帶行動裝置的設計瓶頸 無線產品雜訊干擾來源 解決方案 論文組織架構 1 1 7 8 10 11 第二章 筆記型電腦耦合數位雜訊來源偵測及解決方案 13 2.1 筆記型電腦物理結構 13 2.2 雜訊偵測方式 20 2.3 解決方案 31 第三章 多模多頻 PDA 手機實作 49 3.1 PDA 手機物理結構 49 3.2 3.3 PDA 的 GPS 接收被數位及類比雜訊影響 PDA 的 2G/3G 接收被數位及類比雜訊影響 54 60 第四章 3.5G HSDPA USB 無線網卡實作 70

4.1 HSDPA USB Dongle 實體圖 71

4.2 4.3 4.4 4.5 熱和電磁干擾之關係 USB 2.0 有最大電流限制 溫度對無線通訊系統影響 使用於 3.5G 無線網路卡(Data Card)之五頻天線設計 75 85 87 90 第五章 結論 94 參考文獻 96 自傳 98

表目錄

表 1.1 本文所採用無線通訊標準的比較 6

表 1.2 多模系統的收發機架構 10

表 2.1 chip antenna 與 spring antenna 之比較 19

表 2.2 改變待測物狀態來偵測雜訊 22

表 2.3 頻譜分析儀設定 23

表 2.4 Vodafdone TIS specification 47

表 2.5 各種方法的 EGSM TIS 結果 47

表 3.1 GPS C/N 受各種雜訊影響的結果(數位,類比) 56

表 3.2 EMI Solution後之GPS C/N 59

表 3.3 比較有無雜訊 Wireless sensitivity(2D peak) 61 表 3.4 WCDMA2100 Conductive & Wireless Sensitivity 62 表 3.5 GSM850 的 wireless sensitivity 63 表 3.6 EGSM 的 wireless sensitivity 64 表 3.7 DCS1800 的 wireless sensitivity 64 表 3.8 PCS1900 的 wireless sensitivity 65 表 3.9 PCB Couple Capacitor solution 65 表 3.10 量測 2D_2G low band wireless sensitivity 67 表 3.11 解決方案前後Talking Position TIS比較 69 表 4.1 PA performance related to voltage and temperature 77 表 4.2 WCDMA Band V 2-D wireless sensitivity 80 表 4.3 Capacitor Equivalent Series model 80 表 4.4 2_D EGSM_900 Sensitivity testing 82 表 4.5 Shielding Case and Sponge 對 EGSM TIS 的影響 83

表 4.6 針對圖 4.19 的 sensitivity 量測 84

表 4.7 USB Dongle 溫升 88

圖目錄

圖 1.1 多模多頻手機系統各功能位置 3 圖 1.2 各行動通訊移動率、傳輸率的比較 5 圖 1.3 依覆蓋率區分各行動通訊 5 圖 1.4 多模多頻功能存在於一個 PDA 手機 6 圖 1.5 多模多頻無線行動通訊手機的各種考慮 8 圖 1.6 印刷電路板的各種雜訊 8 圖 1.7 16.0 吋 HP Pavilion dv6-1100 12 圖 1.8 HTC HD PDA 12 圖 1.9 3.5G HSDPA USB 無線網卡 12 圖 2.1 筆記型電腦內部Top View透視圖 16 圖 2.2 筆記型電腦天線位置配置 17 圖 2.3 筆記型電腦天線尺寸 17 圖 2.4 筆記型電腦內部電路方塊圖 18 圖 2.5 (a)手機用天線(b)各式軟板天線 19 圖 2.6 筆記型電腦用天線 19 圖 2.7 筆記型電腦 3G 模組和天線的正常連接 21 圖 2.8 (a)主天線收到的系統雜訊 (b)副天線收到的系統雜訊 22 圖 2.9 頻譜分析儀畫面 23 圖 2.10 利用頻譜分析儀捕捉 LVDS 對接收頻帶干擾訊號 24 圖 2.11 量測接收機敏感度(sensitivity)環境 25

圖 2.12 2D EGSM_900 all channel wireless sensitivity 25

圖 2.13 隔離雜訊方法 26

圖 2.14 不同 spreading ratio 的頻譜變化 27

圖 2.15 檢查雜訊頻譜 28

圖 2.16 液晶面板的訊號被關掉干擾雜訊也隨著 28

圖 2.18 量測展頻因子 29

圖 2.19 最終頻譜 31

圖 2.20 (a)muRata 22pF SRF (b)muRata 1nF SRF (c)muRata 4.7uF SRF 33 圖 2.21 並聯 muRata 4.7uF//1nF//22pF 電路圖 34 圖 2.22 實測並聯 muRata 4.7uF//1nF//22pF SRF 35 圖 2.23 利用耦合電容改善電路例子 35 圖 2.24 LVDS 導線包法 36 圖 2.25 銅箔補強上件面板背面接地 37 圖 2.26 用銅箔補強面板 LVDS 連接器地 37 圖 2.27 抗靜電布覆蓋頻譜 38 圖 2.28 LVDS 不同接地主天線頻譜 39 圖 2.29 加強 LVDS 及風扇地 39 圖 2.30 液晶面板下方貼不規則形狀導電布 40 圖 2.31 貼 EMI 導電布導電布到液晶面板驅動 IC 的背面 40 圖 2.32 (a)面板背光Inverter的switching power的雜訊

(b)於Inverter的switching power加上Gasket sponge後的頻譜

42

圖 2.33 面板 LVDS 連接器及 Inverter 位置 43

圖 2.34 硬碟的螺絲孔貼上導電布 44

圖 2.35 電源線双絞 44

圖 2.36 音源線走法 45

圖 2.37 (a)(c) WiFi Coaxial Cable走線不同(b)(d) 各自耦合雜訊頻譜 46

圖 3.1 PDA 上蓋及觸控 LCD 螢幕正面/反面圖 49 圖 3.2 PDA 正面剖析圖 50 圖 3.3 PDA 背面面剖析圖 50 圖 3.4 PDA LCD 螢幕及按鍵軟板 51 圖 3.5 組合主板、螢幕及按鍵軟板 52 圖 3.6 PDA 下蓋正面/反面圖 52 圖 3.7 PDA 組裝圖 53

圖 3.8 主板正面基頻電路及尺寸圖 53 圖 3.9 主板正面基頻電路及尺寸圖 54 圖 3.10 GPS C/N 量測環境(單一衛星) 55 圖 3.11 加強相機模組接地 57 圖 3.12 使用導電泡棉使主板正面基頻地和 LCD 的地接在一起 57 圖 3.13 針對Processor和記憶體雜訊的解決方法 58

圖 3.14 銅箔使 LCD panel和 Touch lens及主板地接得更好 58 圖 3.15 導電泡棉使 LCD panel和 Touch lens及主板地接得更好 58

圖 3.16 2D anechoic chamber 60

圖 3.17 Wireless sensitivity(不考慮天線) 60 圖 3.18 Wireless sensitivity(考慮天線) 61

圖 3.19 (a)(b)分別在MIC、Speaker加耦合電容 62

圖 3.20 (a)(b) Vibrator 的 solution (c)(d) LCD Connector solution 66 圖 3.21 銅箔解決 2G/3G wireless sensitivity 方案 66 圖 3.22 (a)ETS 3D chamber setup(b)Talk position的TIS setup 68

圖 4.1 HSDPA USB Dongle 整體組裝 72

圖 4.2 HSDPA USB Dongle 內部分解 72

圖 4.3 HSDPA USB Dongle board to board 上下件分解 73 圖 4.4 HSDPA USB Dongle 高頻部分印刷電路板正反面物理結構 73 圖 4.5 HSDPA USB Dongle 基頻部分印刷電路板正反面物理結構 74

圖 4.6 HSDPA USB Dongle 基頻部分方塊圖 74

圖 4.7 HSDPA USB Dongle 高頻部分方塊圖 75

圖 4.8 HSDPA USB Dongle高頻電路電源省電的設計 76

圖 4.9 計算功耗剛開使溫度較低時 76

圖 4.10 計算功耗 30min 溫度升置平衡時 76

圖 4.11 USB Dongle Baseband Top(左圖)& Bottom(右圖) side 78

圖 4.12 RF Top side 78

圖 4.14 驗證 EGSM 輻射雜訊 79 圖 4.15 SRF for 0201_22pF,0402_56pF,0603_33pF 81 圖 4.16 Five bypass capacitance(33pF) at USB, the front and rear of the

BUCK for schematic

82

圖 4.17 加五個耦合電容(33pF)在 BUCK 大電感前後 82

圖 4.18 加 Shielding Case and Sponge 83

圖 4.19 模擬實際環境測試 84

圖 4.20 大電容支援放電流程 86

圖 4.21 Voltage Drop 與電容支援放電流程 86

圖 4.22 USB Dongle 溫度剛開始 5min 87

圖 4.23 USB Dongle 溫度 30min 後 88

圖 4.24 天線實體尺寸 90 圖 4.25 筆記型電腦結合 Data Card 90 圖 4.26 此天線模擬尺寸圖 91 圖 4.27 高頻的電流分佈圖 91 圖 4.28 低頻的電流分佈圖 92 圖 4.29 加入筆記型電腦後的反射損耗圖 92 圖 4.30 未加入筆記型電腦之前的模擬結果 93 圖 4.31 加入筆記型電腦後天線高頻與低頻的輻射效率 93

1 第一章 緒論 1.1 研究動機 對行動裝置無縫連結的需求與日俱增，是無線通訊產業不斷創新的動 力，整合通訊、計算、全球定位系統等功能是今天無線通訊一個不可抵抗 的趨勢。G 是英文 Generation 的縮寫，指第 N 代行動通訊技術，最大的差 異在於其網路傳輸速度的表現，1G：第一代制式手機，無網路傳輸功能。 2G/2.5G：第二代 GPRS 最高僅達 28.8Kbps 速度。3G：第三代手機可以提 供 384 Kbps 到 2Mbps 的傳輸速度。3.5G：第三點五代手機理想值最高達

14Mbps。3.5G 指的是 HSDPA（High Speed Downlink Packet Access）技術

的應用，該技術建立在 3G WCDMA 基礎上，可大幅提昇行動電話的下載傳 輸速率，由 3G 的 384 Kbps 提升到 1.8 Mbps 以上，3G 下載一首 MP3 音樂，平均約需 30 到 45 秒，3.5G 只需短短的 10 秒即可。 除了 2G 及 3G 數位行動通訊努力的提供語音及資料傳輸的服務，幾個 彼此互相競爭的通訊標準像 WiFi 和藍芽也越來越獲得使用者的青睞，成 為資料傳輸的可行方案，WiFi 是針對所有的無線產品作相容性及互通性認 證的一個測試機構，由 Wi-Fi 聯盟(Wi-Fi Alliance)[1]所持有，目的是改善 IEEE 802.11 標準的無線網路產品之間的互通性。因此系統製造商對於整合 多個通訊標準於單一設計平台的要求日益迫切，這些多模平台必需滿足尺 寸小、方便攜帶又省電，而且訊號採用不同頻帶、不同調變方式，佔據的 頻寬也不同，如表 1.1。多模系統同時工作是必須的，因此展頻、跳頻、 分時多工等方法必須充份運用來避免彼此干擾，頻譜的運用效率也因此被 強調，更複雜的調變方式是一個趨勢，如此一來功率放大器的線性度及效 率更加重要，各自獨立的技術要迅速整合，以滿足今天日益增強複雜性的 無線通訊。

2

表 1.1 本文所採用無線通訊標準的比較[2]

Frequency Range(MHz)

Multiple Access

Modulation Channel spacing

Symbol Rate /Chip rate

Single user data rate

GSM GSM_850: 824~849(UL) 869 ~894(DL) E-GSM_900: 880~915(UL) 925~960(DL) DCS_1800: 1710~1785(UL) 1805~1880(DL) PCS_1900: 1850~1910(UL) 1930~1990(DL) TDMA/ FDMA 0.3GMSK 200KHz 270.833kbps 9.6 or 14.4 kbps GPRS 21.4kbps with 8slots

EDGE 8PSK 59.2kbps with 8slots

WCDMA Band I: 1920~1980(UL) 2110~2170(DL) BandII: 1850~1910(UL) 1930~1990(DL) BandV: 824~849(UL) 869~894(DL) CDMA HPSK QPSK 16QAM 3.84MHz WCDMA: 3.84Kbps HSDPA(DL):13.976 Mbps HSUPA(UL):5.76Mb ps 384kbps 802.11b 2400~2497 DSSS BPSK/ QPSK 10/25/30 MHz 11 M chips/sec 11 Mbps 802.11g 2400~2497 OFDM/ CSMA/CA 4/16/64 QAM 25MHz 250 ksps 54 Mbps Bluetooth 2400~2483.5 FHSS π/4 QPSK 8DPSK 1 MHz 1 Msps 2~3 Mbps GPS 1575.42 Qusi- CDMA BPSK PRC(C/A) 2.046MHz 1.023 chips/ms 註: UL: Up link 手持行動裝置對基地台或網路橋接器發射功率， DL: Down link 手持行動裝置接收來自基地台或網路橋接器的訊號 GPS 的 C/A 碼:是屬於偽雜訊碼 (pseudorandom noise，PRN)，內含衛星號碼

CSMA/CA: Carrier Sense Multiple Access/Collision Avoidance

3.5G:指的是 HSDPA（High Speed Downlink Packet Access）技術的應用，該技術建立在 3G WCDMA 基礎上，可大幅提昇行動電話的下載傳輸速率， 由 3G 的 384 Kbps 提升到 1.8 Mbps 以上，GSM/GPRS2G，EDGE2.75G，WCDMA3G，HSDPA3.5G，HSDPA3.75G

3

就設計的複雜度與技術更新的挑戰來說，多模無線行動通訊裝置例如 PDA(personal digital assistant)手 機、PND(Portable Navigation Device)、

UMPC(Ultra-Mobile PC)、MID(Mobile Internet Device)、Eee-PC、電子書、

USB 連接裝置(dongle)等，絕對說得上是高難度的產品，在各代工或品牌 廠商的設計團隊中，已細分出天線、射頻、基頻、音訊、EMC/EMI 等眾 多部門，如圖 1.1。每個部門中又有多位工程師在進行開發工作。對於他 們來說，所要面臨的一個共同問題，就是多頻多模(multi-band multi-mode） 的設計趨勢。 圖 1.1 多模多頻手機系統各功能位置 匯集聲音、圖像、錄影、音樂、網際網路是一個不可避免的結果，更 進一步提供即時訊息傳送、家庭自動化和全球衛星定位系統的綜合解決方 案，例如在衛星導航時有人打電話進來或用 WiFi 上網時同時用藍芽聽

4

MP3，如此的應用會對系統耗電造成更大負擔，高頻訊號彼此干擾，同時

必須依移動率、傳輸率及覆蓋率使用適合的行動通訊達到頻寬使用效率及 各項考慮的最佳化，如圖 1.2~圖 1.3。無線行動通訊手機的市場需求已從 傳統聲音服務為主的手機(future phone)轉變成功能多樣的 PDA phone，個 人無線行動通訊對低成本、小尺寸及多模高頻積體電路架構需求的趨勢， 是設計者一個艱難的挑戰。成功合併數位/類比、高頻積體電路及硬體/軟 體於 SOC 上的系統，同時將印刷電路板(PCB)設計最佳化，是克服那些挑 戰的最好的方法。本文所提出的範例是 2G GSM 四頻(850MHz、900MHz、 1800MHz、1900MHz)、3G WCDMA 三頻(Band I、II、V 分別是 850MHz，

1900MHz，2100MHz)、WiFi、Bluetooth 和 GPS 的 Notebook、PDA phone

和 USB Dongle，其中 GSM850 和 WCDMA Band_V 同頻帶，PCS1900 和 WCDMA Band_II 同頻帶，因此 2G~3.5G 事實上使用 5 個頻帶，圖 1.4 為 其簡化方塊圖，可看出傳統複雜的高頻電路，除功率放大器、窄頻濾波器、 匹配電路及石英振盪器外，均已被整合成單一收發晶片或模組，但多媒體 的需求，帶來許多數位界面，其高頻倍頻對接收機帶來極大威脅，圖 1.1 為印刷電路板各功能的相關位置圖，一般天線、面板、相機、喇叭等元件 的大小決定印刷電路板大小及機構的疊構，雜訊源影響的大小與其息息相 關。

5

圖 1.2 各行動通訊移動率、傳輸率的比較[2]

6 3 2 K H z 1 9 . 2 M H z G P S A n t e n n a B G P S A n t e n n a A P r o c e s s o r E a r p i e c e I 2 C I / F I 2 C I / F E B I 2 I / F E B I 1 I / F 5 M / A F S D I O 2 I / F M I C 2 _ P M I C _ P / M I C _ M V G A U A R T 3 I / F M C P K 5 E 2 G 1 G A C M -D 0 6 0 S D C O N N s S I M C O N N s P M 7 5 4 0 S D I O 1 I / F S I M I / F P H Y U S B 3 3 1 6 U L P I I / F M i n i U S B C O N N s H / P A M P M A X I M M A X 4 4 1 1 + H P H _ R / H P H _ L M P P I / F A m b i e n t L i g h t S e n s o r A P D S 9 0 0 5 B L D r i v e r M A X I M M A X 8 9 0 1 B A c o u s t i c E c h o C a n c e l l e r F M 2 0 1 8 -3 8 0 A u x M I C A c t i o n V o l u m e D o w n V o l u m e U p M I C _ P / M I C _ M C H G / R A D I O L E D A u d i o A M P S S M 2 3 1 7 L E D + / -I / F L I N E _ O U T I / F H a p t i c M o t o r D r i v e r I S A 1 2 0 0 B T W i F i P C M I / F H S U A R T 1 I / F 2 6 M H z 1 9 . 2 M H z 3 2 K H z 1 9 . 2 M H z E n d K e y R F I / F 1 9 . 2 M H z S e n d K e y P o w e r K e y C A M E R A K e y S E N S E K e y S P E A K E R C A M E R A I / F K e y p a d I / F G S M P A M a i n M I C M a i n R e c e i v e r A n t e n n a S w i t c h P r i m a r y A n t e n n a T r a n c e i v e r E -C o m p a s s Y A M A H A Y A S 5 2 9 W C D M A B a n d 2 & 5 P A W C D M A B a n d 1 P A W C D M A D i v e r s i t y A n t e n n a A n t e n n a S w i t c h G P S L N A A S w i t c h G P S L N A B G P S _ M o d u l e 1 6 . 3 6 9 M H z M I C _ P / M I C _ M D i g i t a l A n a l o g 3 . 6 1 " L C D M D D I I / F E A R _ P / E A R _ M T P I / F A c c e l e r a t i o n S e n s o r A D I A D X L 3 4 5 T o u c h S c r e e n C o n t r o l l e r T I _TSC 2 0 0 7 圖 1.4 多模多頻功能存在於一個 PDA 手機

7 1.2 多模多頻帶行動裝置的設計瓶頸 隨著無線系統的普及，訊號干擾也日益成為無線系統設計人員和服務供應 商的頭號大敵。訊號干擾不僅影響了無線系統的覆蓋範圍和容量，而且還 限制了現有系統和新興系統的效能，在極為複雜的多模訊號環境下，無線 通訊系統中的干擾顯然不可避免。在一個多模多功能的無線裝置上，其實 就存在著各種類比、數位干擾訊號[4]。特別是在工作頻率 1GHz 以下的應 用，因為頻率高於 1GHz 的訊號在傳遞中較易自然衰減，一般較不易受干 擾，除 GPS 雖工作於 1575.42MHz，但其接收機收到的訊號約-130dBm， 特別低，因此其接收較同頻帶其他系統易受干擾。因應體積及省電等各種 要求，以下為彼此互為因果的常見問題，它們的彼此因果可以圖 1.5 所示: 1.手機厚度減小，同時印刷電路板面積縮小，鋪銅地面積變小，導致多模 多頻彼此干擾更加難以抑制。 2.外觀的要求，使得來自功率放大器的熱難以散去，供散熱的地面積也縮 小使得功率放大器更熱，非線性現象更嚴重，利用切換式電源(switching power supply)降低系統供耗是可行的解決之道，但切換間產生的雜訊， 又會影響接收機。 3.多模手機，為求吸引人的外觀及降低成本，印刷電路板面積及內層必須 盡量減少，且希望不同系統的元件可以共用，例如電源調節器，頻率源， 天線…，但共用導致訊號會互相偶合或影響。 4.多頻帶手機的天線變多，但天線之間需有合理隔離度，絕緣的淨空區是 否足夠?否則訊號會彼此干擾，但印刷電路板面積是有限的。 5.耗電量、高頻元件線性度、元件成本及電磁共容都息息相關。 6.天線效能及場形影響板端電磁共容及板端必須提供的最大輸出功率準 位，這樣一來和熱也脫不了關係。

8

圖 1.5 多模多頻無線行動通訊手機的各種考慮

1.3 無線產品雜訊干擾來源

9

圖 1.6 將印刷電路板各種雜訊源用一個簡單的電路流程表現出來，將 其分類如下:

(1)同頻帶內干擾(in-band)

數位訊號產生的倍頻雜訊會落於接收頻帶:如顯示器資料或時脈訊 號，內/外部記憶界面(Flash、 SDRAM、 Micro SD_Card)，相機數位介面 等。 (2)帶外干擾(out-band) 減低敏感度效應：當某一接收機附近存在高功率發射器時，即便干擾 訊號完全在頻帶以外，受影響的接收器仍將進入射頻過載狀態。當受影響 接收器的預選濾波器無法滿足要求時，這種情況就會出現。滲透到受影響 接收器的高功率訊號將使前端放大器的作業點超出其動態特性範圍。這不 僅破壞了常規的線性放大流程，還導入了互調失真和嚴重的數據錯誤。 (3)互調干擾(inter-modulation) 現代無線系統可以接收、發送並處理成百上千條訊息通道的語音或數 據。多訊息通道訊號在最終功率級前端混合並放大。最終功率級放大器對 線性度的要求非常高，因為非線性特性可能產生並發送交叉頻率訊號 (cross-frequency signal)，而這些交頻訊號可能引發自身系統作業頻帶內的 干擾或與其他系統交叉干擾。 (4) 熱雜訊(White noise) 熱雜訊及接地不良常產生一大片的地雜訊(ground noise)，這又是因為 產品輕薄，降低成本所付出的代價，8 層板和 10 層板厚度、成本、高頻訊 號所需的地面積都不同。 (5)空間干擾 這和天線的場形(pattern)及多模無線裝置多根天線彼此的位置與隔離 度(isolation)有很大關係，通常希望至少 10 dB[6]，所以有越來越多的 2G/3G

10

PDA 手機，把天線置於下緣。GPS 由於衛星特性關係，其天線一定放於使 用者使用方向的上緣，如此 2G/3G 訊號遠離人體腦部，特定吸收率(Specific Absorption Rate; SAR)值較易通過，但天線進收發機時，必須額外承受一段

長走線導致的損耗，但除了天線彼此的隔離度外，天線的位置還是無法完 全避免靠近上述的干擾源。 1.4 解決方案 (1)利用積體電路設計來避免問題  高頻調校或時脈調校不良產生的問題[7]  不同 RF IC 架構產生不同優缺點[8]  多模設計的主要挑戰[9] 目前通行的收發機架構均採直接降頻 DCR(Direct conversion receiver)如(表 1.2)，CMOS 製程成本低且易與數位電路整合，但採 CMOS 製程會有兩項因素難以控制[9]， (1)閃爍雜訊(flick noise)無法模擬得好。 (2)閃爍雜訊在很深的次微米可能會影響 DCR 接收機的雜訊 表 1.2 多模系統的收發機架構 Transceiver Architecture GSM

UL: Direct Up DL: Zero IF

GPRS

EDGE

WCDMA UL: Direct Up DL: Zero IF

802.11b

UL: Direct Up DL: Zero IF

802.11g

Bl uetooth UL: Direct Up DL: Zero IF

11 (2)系統解決方案 對系統作屏蔽處理（shielding）是一種減少 EMI 輻射的相對簡單方 法，它採用接地的屏蔽導體，全部或部分地覆蓋輻射的位置。對強輻射的 系統來說，屏蔽是一種有效的方法。但在多數系統中，尤其是可攜式或掌 上型產品中，屏蔽是降低 EMI 的最不理想的方法。屏蔽會增加尺寸、重量 和成本，顯著地提高人工成本，因為這些產品的屏蔽讓它難於實現自動化 製造。天線的場形(pattern)及擺放裝置[6]對系統的高頻無線效能有決定 性的影響，以下四個課題也是我們所關心的。 1. 高頻元件或時脈源校正的重要性[10]~[13] 2. 各種雜訊使我們必須找出系統雜訊來源及提供解決方案，包含對別 人的干擾(interference)及被別人干擾(compatibility)的問題 [14] 3. 功率放大器熱消散[15] 4. 降低成本所帶來的負面影響，目前常發生的系統雜訊來源如耦合接 收雜訊、傳導發射雜訊、傳導接收雜訊三種雜訊來源，其中傳導接 收雜訊主要和印刷電路板的設計準則有關，本論文針對耦合接收雜 訊及傳導發射雜訊提出偵測及解決方案。 1.5 論文組織架構 筆記型電腦和個人數位助理，以尺寸而言是兩個極端，其設計考慮事項也 因尺寸有所差異。以下舉三種代表性的商業產品為例:  16.0 吋 HP Pavilion dv6-1100 娛樂筆記型電腦(37.85 公分(寬) x 25.8 公分(深) * 3.4 公分(最低高度) / 4.1 公分(最高高度)，圖 1.7  HTC HD PDA,115mm * 62.8mm * 12 mm / 146.4 g,3.8 吋 TFT，圖 1.8

12  3.5G HSDPA USB 無線網卡 , 85mm * 21mm * 13mm，圖 1.9 圖 1.7 16.0 吋 HP Pavilion dv6-1100 圖 1.8 HTC HD PDA 圖 1.9 3.5G HSDPA USB 無線網卡 本論文章節架構，第二章探討筆記型電腦耦合數位雜訊來源偵測及提 供解決方案，第三章討論多模多頻 PDA 手機實作，第四章 3.5G HSDPA USB 無線網卡實作，第五章為結論。

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第二章 筆記型電腦耦合數位雜訊來源偵測及解決方案 雜訊的角色不外乎影響別人接收機，或自己接收機被別人影響，例如 顯示器中的時脈及資料訊號隱含高頻諧波，因為其數位特性較類比訊號不 易衰減，常常是主要干擾源，其中又區分為影像資料及高壓背光電源 (switching power)兩種雜訊。DVD ROM、USB 等其它週邊界面及處理器、 記憶體等數位訊號，通常距離天線較遠，必須防止其雜訊透過其它介質耦 合至天線,預加耦合電容及適當屏避把雜訊導至良好的地來預防，因此多 模系統數位干擾源的位置必須和天線有適當隔絕，以筆記型電腦為例，通 常從北橋到螢幕的數位訊號 LVDS(Low voltage differential signal)排 線距離天線很近，訊號又強，除適當屏避外，還必需使用展頻的技巧進一 步降低螢幕高頻諧波，無線接收敏感度(wireless sensitivity)才能通過

OTA(over the air) 的 規 範 [16] ， 根 據 美 國 CTIA(Cellular

Telecommunications & Internet Association)會議結論，CTIA OTA test plan v2.2.1 自 2008/1/14 起正式生效。換言之，在此日期之後於 CTIA 網 站申請 PTCRB(PCS Type Certification Review Board)認證，且必須要符 合 OTA，其測試方法必須遵守 v2.2.1 的最新規定。本論文首先提出偵測無 線產品干擾源的方法及解決方案，由系統尺寸較大的筆記型電腦談起，舉 2G/3G 為例，討論其 3-D wireless sensitivity(TIS)，小至討論 PDA 手 機或 3.5G HSDPA USB 無線網卡。 2.1 筆記型電腦物理結構 本章討論的無線待測物為一台 15 吋筆記型電腦，其實體結構如圖 2.1~圖 2.6 所示。系統開發時，如何保持關鍵信號完整性以及電磁干擾 (ElectroMagnetic - Interference，EMI）的模擬既困難且耗時，又容 易 出 錯 ， 因 為 它 們 依 賴 著 難 以 預 測 的 模 式 和 參 數 提 取 （ parameter

14 extraction）。這種情況隨著每個新一代產品的開發而變得更加嚴重，因 為時脈速度在不斷地提升，而電源電壓則在不斷地下降，因而產生了更 低的雜訊容限（noise margin）。除這些問題以外，更短的產品壽命週期 也要求有更快的產品開發週期，兩相結合，阻礙到了設計工程師將其產 品儘快推出上市以滿足需求的能力。消費者逐漸增長的期望必須被滿 足，因為它們影響著一個公司快速製造出大批高品質產品，並趕上市場 產品生命週期不斷縮小的能力。 儘管預測 EMI 對電子系統的模擬是一件困難且耗時的任務，但對電 磁輻射基本原理的理解卻很簡單。任何在電場中移動的電荷以及電場的 變化都會造成電磁輻射。輻射的強度與這種改變的速率成正比，電磁輻 射的來源可以是手機的發射機，或各種數位系統（如 PC、PDA、印表機 和掃描器）都會放射出非有意的輻射。在數位系統中，週期性的時脈信 號（periodic clock signal）是 EMI 輻射的主要來源。另外，控制信號、 時序信號、位址與資料匯流排、互連纜線，以及連接器等也會產生 EMI 輻 射。一般筆記型電腦 2G/3G(WWAN)及 WiFi(WLAN)模組常使用兩根天線進 行 Diversity 以增進傳輸效能，GPS 天線受限於其訊號源限制，最好位於 面板上件上方，而藍芽用於短距離傳輸，其效能不被特別重視，置於 Keyboard 下方即可，如圖 2.1~2.3，雜訊如 LVDS、Memory(DDRII) 、Clock Generator 、CPU 及南北橋軸等位置走線如圖 2.1。由於上下件之間的連 接孔(Hinge)不能太大，因此各條由下件主板連到上件的線不能太粗，如 此同軸電纜的包覆及導地效果均會變差，此外，上下件之間的連結點也 很少，而面板為避免應力不平均造成水波紋，通常只能在驅動 IC 子板露 銅，或在有限的區域增加接地。一個個破碎的地連結，使雜訊極容易透 過天線軸電纜、LVDS 排線、音源線等耦合至上件的天線。圖 2.4 方塊圖， 可知各線路彼此間的連接關係。

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圖 2.1 筆記型電腦內部 Top View 透視圖

天線實際位置如圖 2.2 及圖 2.3 所示，尺寸如下:

WWAN(2G/3G or 3.5G_HSDPA)_ ANT.3P1& ANT.3P2: 70*6*5 mm,

WLAN(WiFi) ANT.2: 25*6*5mm

Bluetooth Antenna: 25*6*5 mm

16

圖 2.2 筆記型電腦天線位置配置

圖 2-3 筆記型電腦天線尺寸

23cm

17 圖 2.4 筆記型電腦內部電路方塊圖 G P S M o d u le

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圖 2-5 及圖 2-6 是 PDA 手機及筆記型電腦常用的天線，從表 2.1 來 看，在價格上軟板或鐵片 PIFA(Planar inverted-F antenna)天線的價格是比較 便宜的，就頻寬而言，是 PIFA 天線的頻寬比較寬，以天線本體體積來看 是 chip antenna(SMT devices with FR4, plastic, air, ceramic bases)的體績較 小，在輻射效能方面來看是鐵片天線比較好而且因為寬頻比較寬的原因， 在錯調方面，鐵片天線是比較不受影響的，綜合以上所得的優缺點，PIFA 天線不論在價格上及整体效能上都有不錯的表現，是一個既經濟又實用的 天線。無論 PDA 手機或筆記型電腦其天線設計基於成本及體積考量，均 朝向 PIFA 天線。 (a) (b) 圖 2-5 (a)手機用天線(b)各式軟板天線 圖 2-6 為各種形式筆記形電腦天線，上圖為金屬形式，中圖為 FPC 軟 板形式，下圖為 FPC 硬板形式

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圖 2-6 筆記型電腦用天線

表 2.1 chip antenna 與 spring antenna 之比較

價格 頻寬 天線 本體體積 輻射效能 錯調 Chip Antenna 較貴 窄 小 不佳 略差 Spring Antenna 便宜 寬 略大 佳 較好

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2.2 雜訊偵測方式

如何經由頻譜分析儀及高頻天線(探棒)量測得知雜訊來源[17]，以往 對於wireless sensitivity的規格，只要求量測2D的峰值(peak)，但近年 來OTA(Over The Air)的TIS(Total Isotropic Sensitivity)已經是必須的，這是 一個3D的規格。從[17]看出，若是在電路或組裝上無法解決，可考慮利用 天線來幫忙，這種狀況在解決SAR時最常見。TIS會被系統雜訊影響,想得 到好的TIS，必須減少來自系統的雜訊。如何偵測系統雜訊?我們有興趣接 收訊號低於-100dBm,因此我们必須使用可提供足夠低儀器雜訊(noise floor) 的儀器來偵測實際雜訊。 一般的頻譜分析儀的敏感度不夠低，如果頻譜分析儀內含前置放大器 並具有外接低雜訊放大器(LNA)，加上適當調整 RBW/VBW，頻譜分析儀 noise floor 可從-90dBm 降至-110dBm~-140dBm，如此才能看得到 2G/3G 甚 至 GPS 的雜訊，Advantest R3162 頻譜分析儀即具有 15dB 增益前置放大 器。HSDPA 進行 space diversity，如圖 2.7 利用 HSDPA 主天線(Main)及副 天線(AUX)來接收訊號，當我們要偵測來自系統雜訊，依序將主天線及副 天線分別連接到頻譜，如圖 2.8(a)(b)，表 2.2 改變待測物狀態來偵測雜訊， 所以有效控制各種訊號的出現，有助偵測雜訊。

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圖2.7 筆記型電腦3G模組和天線的正常連接

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(b)

圖 2.8(a)主天線量收到的系統雜訊 (b)副天線量收到的系統雜訊

表 2.2 改變待測物狀態來偵測雜訊 Item Should be set in

Reference

Windows Windows Starting

LCD Display Angle 100-110 degree angle

Power Management

Scheme default setting

Power Source Battery Only(No AC Adapter)

Brightness Control Medium

Optical Drive Turn Off(default setting)

Wallpaper Default wallpaper

USB Port Do not connect any devices

Express Card/PC Card Do not insert any cards

Wireless LAN / Bluetooth Off

Memory Card Slot Do not insert any cards

LAN/MODEM Do not connect any cables

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表 2.3 頻譜分析儀設定

當頻譜設定如表 2.3，此例為偵測 EGSM850 ,WCDMA Band V，頻譜畫面如 圖 2.9 圖，當 LVDS 雜訊出現時如圖 2.10 所示，紅點所示超出 noise floor。

24 圖 2.10 利用頻譜分析儀捕捉 LVDS 對接收頻帶干擾訊號 經偵測及加入解決方案後，要確認結果，必須利用2G/3G綜合測試儀 如Agilent E5515C直接量測接收機敏感度(sensitivity)如圖2-11，藉由 量測接收機所有頻道敏感度(sensitivity)，可以知道干擾雜訊的影響程 度及分布。圖2-12為針對 EGSM_900全頻道sensitivity的量測，可看出某 些頻道(如ch1005,ch76,ch115)因受干擾，差了3~4dB。

25 圖2.11 量測接收機敏感度(sensitivity)環境 -108 -106 -104 -102 -100 -98 -96 975 985 995 1005 1015 1 11 21 31 41 51 61 71 81 91 101 111 121 S ens it ivi ty( d B m ) Channel

26 圖2-13 隔離雜訊方法 干擾雜訊在筆記型電腦的底座或上面的面板? 如何尋找干擾雜訊的 真正來源?WWAN(2G/3G)模組已置入底座，如圖2-13，WWAN 2G/3G 天線也 已放在液晶面板的下面。尋找干擾訊號最簡單的方法就是把可能的干擾源 關閉再打開，才能得知其各自貢獻的比例。測試HSDPA系統(包含天線之接 收)步驟如下: (A) 把控制液晶面板的LVDS 排線拔掉再裝上，觀察對頻譜的影響 (B) 裝上/拿掉WWAN卡，觀察對頻譜的影響 (C) 裝上2G/3G卡，利用控制軟體關閉/打開, 觀察對頻譜的影響 (D) 關閉/打開(BT, WLAN)，觀察對頻譜的影響

27 (F) 拿掉再裝上各個子板，如相機模組, 硬碟,記憶模組DDRII，觀察對 頻譜的影響 經測試發現(A)(E)(F)是主要雜訊來源，我們以下將針對這三項進行討論 圖2-14，觀察頻帶935MHz~960MHz，可見LVDS Clock Generator IC 展頻時振幅大小，頻寬及中心頻率均會改變，左圖spreading ratio=1%， 右圖spreading ratio=1.5%，其各自的頻率源頻譜左緣從950.2MHz移至 922.74MHz，其振幅也有不同變化，此即為我們可以調整的地方。 圖2-14 不同spreading ratio的頻譜變化 展頻(SSCG) 以下是一個經由調整2G/3G模組時脈頻率，進而改善LVDS對2G/3G接收機敏 感度的實例: [步驟 1] 連接待測無線裝置至頻譜分析儀 [步驟 2] 檢查雜訊頻譜，圖 2.15

28 圖 2.15 檢查雜訊頻譜 [步驟3] 利用控制軟體關閉/打開面板，檢查頻譜有無任何變化 圖 2.16 液晶面板的訊號被關掉干擾雜訊也隨著 當觀察到隨著液晶面板的訊號被關掉干擾雜訊也隨著消失，干擾源明顯和 液晶面板的訊號有關。(注意頻譜綠色區域) 圖2.16

29 [步驟 4] 確認干擾雜訊的頻寬及彼此之間是否有倍頻關係 圖2.17 干擾雜訊美每37.5MHz重覆一次 記號(1) 819.61 MHz 記號(2) 856.99 MHz 記號(3) 894.46 MHz 從以上的頻率記號顯示干擾雜訊美每37.5MHz重覆一次,如圖2.17 但記號3的干擾來源明顯來自其它原因。 圖 2.18 量測展頻因子

30 計算干擾源頻寬 中心頻率: 895.30 MHz，頻寬: 4.52 MHz (= DELTA) ，4.52 MHz / 895.30 MHz = 0.00504…，雜訊頻寬佔中心頻率0.5% ，從以上量測得知，此雜訊 是37.5MHz的倍頻，展頻因子是+-0.25%，大約-3dB，如圖2.18。 [步驟 5] 檢查 V_BIOS中的設定值，與步驟 4得到的展頻因子對照 [V_BIOS 設定] 75MHz中心頻率展頻 +-0.5% [假設值] 37.5MHz中心頻率展頻 +-0.25% 從頻率的觀點，干擾訊號是由37.5MHz(37.5MHz x 2 = 75MHz)倍頻而 成，我们不僅要注意液晶面板75MHz的排線訊號，1/2 頻率(37.5MHz)也不 能忽略。因此在初設計就要避免倍頻落入WWAN接收機頻譜。但僅有部分無 線通訊產品可以展頻，其他產品只能採取EMI的方式處理。液晶面板採用 展頻時脈，藉由頻譜分析儀及高頻天線(探棒)偵測，如果要較準確，待測 物及高頻天線必須置於無響室 (chamber) 內。 一個多模的無線裝置中，充滿各種數位時脈，我們必須仔細觀察是否 有任何的接收機頻帶干擾訊號是來自某一數位時脈的倍頻，某些晶片組會 支援液晶面板主時脈展頻的功能，但若展過頭則會影響某些介面的正常運 作。通常液晶面板驅動IC及排線的位置離天線很近，是干擾訊號的主要來 源，因此若是可以微調主時脈頻率，我們如何避開要被測試的頻率? 　 在可攜式裝置被廣泛使用之下，連接主要裝置與外部裝置的高速串列 式連結變得越來越受歡迎，而對於減低一些不必要的電磁雜訊干擾(EMI) 也是一個很重要的議題。在可攜式裝置中，主要的雜訊來源是在訊號處理 單元與另一端像CD/DVD和HDD的周邊裝置之間的高速介面。SATA是其 中一項最佳的技術，因為它能提供高達每秒3Gb甚至未來可達6Gb的大頻 寬，而在SATA規格中，展頻時脈的技術可以透過分散主要載波的頻率來

31 減低電磁雜訊干擾。此外，除了在頻域上減低電磁雜訊干擾，考慮展頻時 脈在時域上所造成的影響才是更重要的部分，因為在串列資料傳輸的過程 中最主要關心的是訊號在時域上的完整性。 圖2.19 最終頻譜 2.3 解決方案 (A) LVDS 1. 干擾現像及途徑 干擾可能直接由LVDS排線或連接器輻射出來，也可能從下件經由 LVDS排線、HSDPA或WiFi天線同軸電纜耦合雜訊，由於上下件之間連接 器(Hinge)的孔徑很小，因此排線或同軸電纜的地不能太厚，使得地的屏蔽 效果不佳，雜訊容易到處耦合，必須加強地或設法將雜訊導地。 2. 解決方法 ■ 展頻 ■ 電容濾波 ■ 貼銅箔屏蔽

32 ■ 貼銅箔增加導地 ■ 改變各種導線路徑 解決這種問題最有效的方法是採用展頻技術（spread-spectrum-clock generation，SSCG）來控制和降低 EMI 輻射。SSCG技術並不會維持一個 恒定的頻率，而是用一種小得多的頻率（通常是30至90 kHz）對系統時脈 頻率進行調變，在源頭（系統時脈）控制和降低EMI 輻射。相對於其他 EMI 衰減技術，SSCG 的系統化特性是它的一個主要優勢，因為你從展頻時脈 所得到的所有時脈和時序信號都會調變在相同的百分比，大幅地降低了整 個系統的 EMI，圖2.19為所有解決方案均加入後的最終頻譜。這種方法建 立了一個有邊帶諧波（sideband harmonic）的頻譜。它有意將窄帶的重 複性系統時脈寬頻化，同時減少了基頻與諧波頻率中的峰值頻譜能量。調 變頻率（modulation frequency，MF）一般是 30 kHz，這個頻率夠大， 可以高於音頻頻段，但也夠小，以避免系統中的時序問題。 電容濾波

設計工程師普遍採用低通濾波器（low pass filter）來降低時脈和 時序信號所產生的 EMI 輻射。他們藉由濾除較高階的諧波，縮短上升和 下降的時間。但這種方法在高速系統中有時可能並不實用，例如顯示器， 若時脈上升太慢，顯示會不正常。這時必需加入展頻方法，因為這種濾波 既減小了重要的設定與保持時間的容限（setup-and-hold-time margin）， 同時也減少了信號過衝（overshoot）、下衝（undershoot）的問題。濾波 的主要問題在於，這種技術是非系統性的，這意味著在系統中任何確定結 點上降低 EMI 都不會減少其他結點的輻射。因為高頻設計工程師在開始 工作時幾乎沒有什麼資訊，他們必須在很多可疑的位置放置濾波器，從而 浪費了寶貴的時間和 PCB 板的空間。模擬的辦法也常被提出，但受限於

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模型的準確度，並不是主流解決方案。在此提出實用方法流程及注意事項: 1. 直接於雜訊源外加旁路電容(Bypass Capacitor)接地，旁路電容角色

如同陷波濾波器(Notch Filter)，必須注意各家同值旁路電容 notch 的頻率不同。以 muRata 的串聯共振頻率(SRF)為例，0402 與 0201 尺 寸的衰減值值也不同，不同廠商的共振頻率點也不同。SRF=1485MHz， 245MHz 及 4.33MHz 的模擬等效阻抗圖如圖 2.20(a),(b),(c)

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(b)

(c)

圖 2.20(a) muRata 22pF SRF(b) muRata 1nF SRF(c) muRata 4.7uF SRF 電容並連電路圖如圖 2.21，其頻率響應如圖 2.22，為常見的偶合電 路設計，可見只要容值適當調整，可同時過濾多個頻段。但必須注意濾波 電容的值及其位置，如圖 2-23。於 LVDS 連接器靠近電源部分並連三電容。 1nF 1 2 22pF 1 2 4.7uF 1 2 V 圖 2.21 並聯 muRata 4.7uF//1nF//22pF 電路圖

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圖 2-22 實測並聯 muRata 4.7uF//1nF//22pF SRF

36 貼銅箔屏蔽/貼銅箔增加導地 利用導電材質和印刷電路板的地連結，隔絕雜訊。以觀察到的 wireless sensitivity 當判斷。以下探討展頻或電容濾波以外的以 EMI 去除干擾源方 案: (1)LVDS Cable 是使用哪種材質也很重要 (a) Wire (b) Coaxial Cable(材質及特性比較好) 要求條件如圖 2.24，理想的情形，(1)筆記形電腦上下蓋鐵件阻抗 在接觸後小於 1 ohm，(2)ABCD 各點相對阻抗小於 1 ohm，但理想 通常作不到，實際量測時，A<->B 小於 2 ohm，B<->C 小於 5 ohm， B<->D 小於 5 ohm，綠色部分需注意導電布接觸是否良好。 圖 2.24 LVDS 導線包法 (2)顯示器(panel, camera)LVDS 排線及連接器內含 72MHz 倍頻的數位訊 號，離 WWAN 天線很近，會影響接收，如圖 2.25 銅箔補強上件面板接 地，下件甚致把主機板端的 LVDS 排線包銅箔加強導地，如圖 2.26。此 外機構使用哪一種材料(金屬件,鋁鎂件,濺鍍,水鍍,鋁箔)來做外殼， 各機構件內緣導體的導電性也很重要，任何點阻抗量測最少需要小於 5 ohm，阻抗過大時將會使 EMI 與 ESD 效果不佳,嚴重時將導致 Fail。

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圖2.25 銅箔補強上件面板背面接地

圖 2.26 用銅箔補強下件 LVDS 排線及連接器接地

38 偵測是否有雜訊直接由筆記型電腦下件輻射出來，Keyboard部份用抗 靜電布覆蓋，可有效壓制下件雜訊如圖2.27，此頻帶均相當程度低於原先 準位(粉紅線)。可看出Maker1~4之雜訊從-90降至-100dBm以下，因此下件 本身有相當雜訊需要去除。 圖2.27 抗靜電布覆蓋頻譜 圖2.28表三種LVDS排線不同接地，其中主天線頻譜， (綠線)如圖2.31，LVDS排線包銅箔 (藍線)同上，LVDS接地線靠近風扇鏍絲 (紅線)同上，LVDS接地線靠近北橋散熱片 可見此處LVDS的地還是影響頻譜最劇

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圖2.28 LVDS不同接地主天線頻譜

圖2.29為參照圖2.26圖銅箔部分，加強LVDS及風扇接地地，前(紅色)後(藍 色)之頻譜差異，此處的加強還是有效的。

40 利用EMI的隔絕或導電材料和液晶面板的地接觸來除去雜訊來源，如圖 2.30，液晶面板下方貼不規則形狀導電布，其大小形狀並沒有一定準則， 有時貼太多反而偶合雜訊，面板背面貼導電布後，如圖2.31，應力不平均 會導至水波紋。 圖 2.30 液晶面板下方貼不規則形狀導電布 圖 2.31 貼 EMI 導電布到液晶面板驅動 IC 的背面

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(E) 背光 Inverter 的 Switch Power對 Antenna, LNA,TIS 有影響

1. 干擾現像及途徑 由於筆記型電腦內部背光模組所使用的電源為直流電如圖 2.32(a)， 故必須有電源供應器（或整流器）來把交流電轉換成各種不同的直流電壓 使其發揮功能。依其電路結構的不同，電源供應器可分為線性式和切換式 電源供應器兩種。簡單的線性式電源供應是由變壓器、二極體整流器和電 容濾波器所組成，其優點是電路簡單、穩定度高、暫態響應快、可靠度高、 漣波小、電磁干擾小，然而因其使用大電流變壓器，體積大且重量重，大 多無法直接安裝在電路基板上，轉換效率低（約 30~50％）。為克服線性 式電源供應的種種缺點所發展出的切換式電源，其優點是轉換效率高、空 載時耗電小、重量輕⋯。但在電路結構上比線性式電源供應器來得複雜， 漣波比較大、電磁干擾也比較大，但整體而言，切換式或線性電源供應的 選擇必須在效率和 EMI 雜訊之間取得平衡。高的電壓經切換後無論傳導性 或輻射性電磁雜訊都已相當高，使得切換式電源供應器的 EMI 防治方式相 當複雜。在數位與類比混合的環境下，數位電路在運作時會產生大量的切 換雜訊，這些雜訊會干擾到類比的運作。為求最佳的電路運做，必須想辦 法讓此二者能避免彼此干擾。

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(a)

(b)

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2. 解決方法

由於面板 Inverter 也是切換式電源，如圖 2.33 於其上方加入導電 Gasket Sponge 有助於抑制 switching power 的雜訊，如圖 2.32(b)。

圖 2.33 面板 LVDS 連接器及 Inverter 位置 (F)各子模組討論(HDD,MIC,DDRII) HDD 1.干擾現像及途徑 干擾可能直接由各子模組排線或連接器輻射出來，也可能經由 LVDS 排線 或 HSDPA/WiFi 天線同軸電纜耦合雜訊，因此排線或同軸電纜的的走線及 其與雜訊源的位置關係，常導致雜訊耦合。圖 2.34 為硬碟等元件防止雜 訊的處理方式，硬碟的螺絲孔貼上導電布，使其地與主板連結，當 Shielding 只有一端接地只能消除電場，無法消除磁場。當 Shielding 兩端接地才能消 除電磁場幅射。絞線是利用兩條線的相位相反，振幅相同的原理將雜訊抵 消。圖 2.35。

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2.解決方法

圖 2.34 硬碟的螺絲孔貼上導電布

45 DDRII+麥克風音源線 1.干擾現像及途徑: (1)MIC Cable 由於DDRII隨系統運作會產生高頻雜訊，因此經其音源線附近要特別注 意。圖2.36，黑色的MIC音源線附近有北橋及DDRII的雜訊，其距離遠近影 響耦合程度。 圖2.36 音源線走法 (2)WiFi Antenna Coaxial Cable

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(c) (d)

圖2.37(a)(c) WiFi Coaxial Cable走線不同(c)(d)各自耦合雜訊頻譜 2.解決辦法

長導線易形成輻射源圖，如圖 2.36，由於每條接至面板的導線若接地 不良，可視為雜訊可利用的天線，因此導線與雜訊源的相對位置從兩圖可 看出有很大關係，如圖 2.37(a)MIC 音源訊號(黑色粗線)經過北橋時易耦 合雜訊，如圖 2.37(b)，WiFi Coaxial Cable 走線不同如圖 2.37(c)，結 果改善如圖 2.37(d)。改變 Coaxial cable 路徑(白藍:WiFi 模組 coaxial cable，黑:音源線)有助於改善 EGSM_900 頻帶雜訊。上件天線至主板印刷 電路板同軸電纜線走線的路徑須避開雜訊發射干擾源，上蓋與下蓋及各小 板之間需考慮到整體的地迴路是否有做到完封雜訊射出(上蓋與下蓋其四 周需能搭接密合的到:使用導電泡棉或鐵件…..等)，只要含有金屬成份的 組裝料浮接，沒有確實固定到地，可視為可能輻射雜訊的來源，各含有金 屬成份的組裝料及小板間的接觸，建議使用兩到三點以上螺絲固定點或大 面積導電泡棉接觸，各區域也需要特別注意其接觸點或面是否足夠，其成 效將會影響到 EMI 和 ESD 的結果。面板尺寸越大，背後貼東西越容易形成 水波紋。 本實驗參考如表2.4 Vodafdone V2.2之規範，上述各種解決方案EGSM 的TIS結果，如表2.5由黃色結果可知，LVDS 雜訊是否被有效抑制仍決定 最後的結果。

47

表2.4 Vodafdone TIS specification

表 2.5 EGSM TIS結果

EGSM_900 CH975 CH37 CH124 Condition Rx Level(dBm) 47 46 44

original Sensitivity(dBm) -89 -90 -90

Rx Level(dBm) 46 45 43 add gasket at LVDS to contact the case remove the microphone cable Sensitivity(dBm) -97 -100 -99

Rx Level(dBm) 46 45 43

enhance the antenna contact Sensitivity(dBm) -98 -100 -99

Rx Level(dBm) 46 46 45 Put the microphone cable under RAM module

Sensitivity(dBm) -92 --97 -97 Rx Level(dBm) 46 46 45

use the sponge to separate Sensitivity(dBm) -95 -100 -101

Rx Level(dBm) 46 46 45

copper foil at the bottom of the panel Sensitivity(dBm) -91 -99 -100

Rx Level(dBm) 45 45 44

add conductive fabric to the LVDS Sensitivity(dBm) -91 -101 -100

48

Rx Level(dBm) 46 46 44 remove the conductive fabric on LVDS add a rectangular copper foil below the

antenna Sensitivity(dBm) -92 -99 -99

Rx Level(dBm) 47 46 45

change the LVDS SSCG from 1.5% to 0.5%, Sensitivity(dBm) -101 -101 -100

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第三章 多模多頻 PDA 手機實作

3.1 物理結構(圖 3.1~圖 3.11)

GPS 天線由於訊號源衛星的分布位置，天線均會設計於 PDA 的上方。2G/3G 天線為了 SAR 及避免干擾 GPS 常置於下方，至於 WiFi 和 Bluetooth 通常

基於空間考量共用，置於 PDA 兩邊的位置。 113mm * 61.5mm * 11.98mm

為其實際尺寸，如圖 3.1 所示。

50 圖 3.2 PDA 正面剖析圖 圖 3.3 PDA 背面面剖析圖 Volume Key Mini USB 觸控筆 電池 按鍵軟板 相機模組背面,此處有縫隙 Receiver MIC Video Call Camera GPS external Antenna connector 相機模組正面,此 處有縫隙 Micro SD card &

SIM connector WiFi & BT 天線 匱入點 GPS 天線匱入點 Speaker 震動馬達 2G/3G 天線匱入點 基頻電路 高頻電路

51 由圖 3.2 及圖 3.3 可看出，PDA 各部份的疊構會影響外觀最終的長/ 寬/高，天線淨空區與否隔離度是否足夠，離雜訊的遠近都和電磁干擾與 防護密切相關。圖 3.4~圖 3.7 顯示每一組裝模組都有金屬部份，若彼此 接觸不良，形成許多雜訊輻射天線。圖 3.8~圖 3.9 為基頻/高頻印刷電路 板，為方變起見，以面朝上定義基頻部分為正面，相對的射頻部分為背面。 圖 3.4 PDA LCD 螢幕及按鍵軟板

52

圖 3.5 組合主板、螢幕及按鍵軟板

53 圖 3.7 PDA 組裝圖 圖 3.8 主板正面基頻電路及尺寸圖 Memory CPU Camera Module Connecto WiFi & BT Module Power Managemen Video Call Camera 58.6m 55.3mm 相機模組背面 shielding,此處 有縫隙 背面 GPS 天線

54 圖 3.9 主板背面高頻電路 3.2 PDA的GPS接收被數位及類比雜訊影響 圖 3.10 及表 3.1 為 GPS 接收機同時被數位及類比雜訊干擾的範例， 根據熱雜訊理論，假設常溫 25℃，高頻前置電路(front end)損耗 3dB。(海 平面 GPS 訊號大小~-130dBm)



C/N_O



_dB 10*log₁₀



C/KTB



上式: C 是 GPS 訊號強度 No 是雜訊強度 K 是 Boltzman's 常數 B 是雜訊頻寬 T 是雜訊溫度 Tranceiver LCD Connectort Battery Connctor GPS LNA 3G PA 2G PA 2G/3G System VCTCXO BT & WiFi X’tal GPS 天線彈片 BT & WiFi 天線彈片

55 在一個開闊天空(free space)的標準例子:

 

130( ) log 10 C  dBm K

T _2900 _{，T is noise temperature at the antenna} 6 . 24 ) ( log 10 ₁₀ T  K W K _1.380*1023 _sec/ B _{= 1 Hz (C/N 為 SNR 對應到 1Hz 的頻寬)} 把值帶入式():



C/N_o



_dB 130(24.6)(198)043.4dB.Hz 得到 這裡 -198 是 Boltzman’常數以 dBm/K/Hz

所以本例扣除前端損耗(front end loss)，假設理想 C/N=41dB。(圖 3.10)(表 3.1)為 GPS 接收機同時被數位及類比雜訊干擾的範例，其量測及 解決雜訊的方法為先單純化環境，利用單一衛星訊號產生器及無響室來進 行干擾源的去除。 表 3.1 表系統中含類比(2G/3G/WiFi，BT 功率小不用考慮)及數位 (Camera、SD Card、SIM 等)兩種雜訊會落入 GPS1575.42MHz 的接收機頻帶， 類比部分已採軟體方式有效抑致，但數位部分影響仍大，與其物理結構接 近 GPS 天線有很大關係。如圖 3.2、圖 3.3、圖 3.8、圖 3.9。 圖 3.10 GPS C/N 量測環境(單一衛星) 待測物 Patch Antenna

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表 3.1 GPS C/N 受各種雜訊影響的結果(數位,類比)

GPS C/N test report

Test Item Degrade

1 GPS_Only (initial C/N=41 dB) 0dB 2 2G/3G network on -0.5dB 3 WiFi_on -0.5dB 4 Camera_on -3 dB 5 SD_card (read/write) -4 dB 6 2G/3G +WiFi (on) -0.5 dB 7 Camera +2G/3G +WiFi (on) -2 dB 8 SD_card +2G/3G +WiFi (on) -5 dB 9 SD_card +2G/3G +WiFi+ Camera (on) -6 dB

10 WiFi 搜尋網路 -3 dB

11 各種接地不良 -1.5 dB

表 3.1，數位干擾可能大於 4dB(當 Camera on 或 SD on)，這裡 SD Card 的工作頻率約 19MHz，其第 83 倍頻等於 1577MHz，相當接近 GPS 接收頻 帶_1575.42MHz，圖 3.11 加強相機模組接地，因相機模組離 GPS 天線近， 如圖 3.2 及圖 3.3，相機模組周圍有縫隙，本身的地又沒有連在一起，圖 3.12 說明 LCD 接地，增加基頻電路接地面積，避免金屬 shielding 浮接， 圖 3.13 含處理器、記憶體等基頻電路的 shielding 無法完全密合，有縫隙， 透過相機模組周圍縫隙輻射出來。且圖 3.14 的方案使主板的地得到加強， 否則板子太小，地不夠好，無法抑制雜訊。此動作另外有兩功能:

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1 改善 GPS 天線增益, 2 LCD BUS 雜訊抑制 圖 3.15 也表兩功能:

1 因 Touch panel 鐵框離 GPS 天線很近，利用導電泡棉讓 Touch panel 鐵框 接避免金屬 shielding 浮接。

2 此 Touch panel 鐵框導電 sponge 也可幫忙屏蔽 LCD 的驅動電路鐵框縫 隙。

圖 3.11 加強相機模組接地

圖 3.12 使用導電泡棉使主板正面基頻地和 LCD 的地接在一起

58 圖 3.13 針對處理器和記憶體雜訊的解決方法 圖3.14 銅箔使LCD panel和Touch lens及主板地接得更好 圖3.15 導電泡棉使LCD panel和Touch Lens及主板地接得更好 用導電泡棉使 Processor 和記憶體的 雜訊在 shielding 覆 蓋後被屏蔽 用導電泡棉使 Touch Lens 和 LCD Panel 的 地連起來 用銅箔使 LCD panel 和 Touch lens 及主板地接 得更好 Processor, Memory, Gap

59 採用圖3.11~圖3.15的解決方案，加強GPS天線附近各種干擾源的屏蔽，可 得表3.2右側的結果。至於SD card connector部分,導入以上EMI解決方案尚 不足，必須輔以圖3.9，SD card connector右側每個pin腳並聯Kyocera 0201 27pF電容，此處雜訊將背完全抑制，可由GPS C/N=41驗證。 由於雜訊主要來自 shielding 外的訊號點,在加上適當電容濾波後,已幾 乎完全抑制。至於背面 RF 部份,在擺放零件時使其遠離天線,此例更將 2G/3G 天線放至離 GPS 天線最遠的下方.因此降低其影響,不足處再利用 軟體 TDMA 分時 Blanking 方式處理 表3.2 EMI Solution後之GPS C/N

60

3.3 PDA的2G/3G接收被數位及類比雜訊影響

圖3.16 2D anechoic chamber

圖3.16 為2D anechoic chamber用於量測2G/3G wireless sensitivity，待 測物和天線之間的距離3公尺，藉由轉動轉桌及調整待測物為H plane、E1 plane、E2 plane，找出天線增益最大點，再降低待測物的接收功率，以此

量測值代表2D wireless sensitivity。由圖3.17可知若假設天線沒有損耗或增 益，Baseband回報的RSSI只要在原來conductive noise，外再考慮輻射雜訊。

61 實際範例解釋(Conducted sensitivity=-107dBm@RSSI=3) 由圖3.18可知 ，通常天線 會有損耗 ，如 此一來wireless sensitivity則是 conductive noise+輻射雜訊+天線增益的總和。表3.3黃色部份是conductive sensitivity，綠色部份是wireless sensitivity，紅字帶表除天線損耗 外還有輻射雜訊，這部份是有機會改善的。 圖3.18 Wireless sensitivity(考慮天線)

表3.3 比較有無雜訊Wireless sensitivity(2D peak)

由 表 3.4 的 量 測 知 輻 射 雜 訊 及 天 線 增 益 的 總 和 ， 依 頻 率 不 同 約 -3~-5dB，但天線增益約-1~-2dB，多衰減的部份即為輻射雜訊所貢獻。

62

表3.4 WCDMA2100 Conductive & Wireless Sensitivity

經 GPS 的 解 決 方 案 後 ， 2G/3G 由 表 3.5~3.8 可 見 2D wireless sensitivity的改善，但依然不夠。由於MIC及Speaker位置在2G/3G天線背 面，距離2G/3G天線很近，如圖3.2及圖3.3所示。由表3.5~表3.8知某些頻 道及DCS & PCS仍不夠好。如加上圖3.19的方案可抑制其影響。 47pF 1 2 47pF 1 2 LSK_N LSK_P /NA 1 2 AUJ2 1 2 /NA 1 2 600Z 1 2 600Z 1 2 0.25pF 0402 6V 1 2 0.25pF 0402 6V 1 2 GND GND GND GND GND LSK_P 1 LSK_N 1 Speaker (a)

63 10U 1 2 MIC_P 1 GND MIC GND 0 ohm 1 2 47pF 1 2 1UF VA-350P 0402 5.5V 1 2 GND 0 ohm 1 2 0 ohm 1 2 V_MICBIAS 0.47uF 1 2 47pF 1 2 47pF 1 2 AUMIC1 SPM0208HE5-SB OUTPUT 1 GAIN 2 GND 3 POWER 4 (b) 圖3.19 (a)(b)分別在MIC、Speaker加耦合電容 -106 -105 -104 -103 -102 -101 -100 -99 -98 128 138 148 158 168 178 188 198 208 218 228 238 248 d B m GSM850 TCH wireless sensitivity - GSM850 Original FPC

FPC with couple Capacitor

64 -108 -107 -106 -105 -104 -103 -102 -101 -100 -99 -98 975 985 995 1005 1015 1 11 21 31 41 51 61 71 81 91 101 111 121 d B m EGSM TCH

wireless sensitivity - EGSM Original FPC

FPC with couple Capacitor Golden Sample 表3.6 EGSM的wireless sensitivity -107 -106 -105 -104 -103 -102 -101 -100 -99 -98 512 537 562 587 612 637 662 687 712 737 762 787 812 837 862 d B m DCS TCH wireless sensitivity - DCS Original FPC

FPC with couple Capacitor Golden Sample

65 -108 -107 -106 -105 -104 -103 -102 -101 -100 -99 -98 512 537 562 587 612 637 662 687 712 737 762 787 d B m PCS TCH wireless sensitivity - PCS Original FPC

FPC with Couple Capacitor Golden Sample

表3.8 PCS1900 的wireless sensitivity

表3.9表在Keypad FPC及Main board所加的電容值，圖3.20(a)(c)表其相 對電路位置，圖3.20(b)(d)為其實際位置。

表3.9 PCB Couple Capacitor solution

Location Original value Change value

FPC AUC15 33pF 47pF(0402) AUC16 33pF 47pF(0402) AUC2 7.5pF/NA 47pF(0402) AUC19 33pF 47pF(0402) AUC18 33pF 47pF(0402) A NA 47pF(0402) B NA 47pF(0402) Main board LCC32 NA 47pF(0201) LCC33 NA 47pF(0201)