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以下三種類型：
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。
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。
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。
De Sense (接收感度惡化)是什麼？
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:
- 增加產品開發時間
- 增加產品研發費用
- 增加退貨的機會
- 銷售量的減少
- 降低使用者對公司品質的信任
- 降低使用者對品牌的忠誠度
- 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
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% |
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。
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:
- 成為市場上一流的產品
- 具備創新與排他性
- 深受市場消費者信賴的產品
- 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。 若您對相關的測試服務想要進一步了解，歡迎聯絡百佳泰。