[安全规格]集成3G实现物与物通信 [复制链接]

BRUCE E. TOUZEL

Cisco

San Jose, California USA

机遇

　　除了代表性的移动电话和笔记本电脑之外，越来越多用于因特网连接的3G无线调制解调器找到了其他的应用。术语“M2M”（物与物）在遥测设备和其它基于IP通信的工业与商业设备之间，定义了新的3G通信连接。考虑到即将到来的市场转换，3G无线连接在M2M配置下具有成本效益的优势和宽带数据速率下不间断通信的特点；它们还提供了广阔的服务覆盖率、创新的应用、低能源消耗、更加紧凑的外观和更低的月通话费用，可以在几乎任何地方使用（图1）。传统意义上，遥测涉及到工业地点如电力、水力和燃气设施的远程监控与点对点传输基本数据。现在3G无线通信的引入已将无所不在的因特网带入这些偏远位置，但并不止于此。许多对商业、公共交通、和执法等市场部门有益的用途正逐步被认识，同时伴有声音、视频传输的实时监控和数据获取变成可能。所有这些应用都加强了用户的亲身体验，他们可以相互交流，不论他们是在一个小范围内还是在全球网络中。

    3G集成者将认识到投资可以获得好的回报，因为3G无线通信调制解调器价格低廉并且开发过程快速而简单，投放市场所需的时间很短。尽管如此，在产品的设计与集成时，硬件设计师需要考虑那些可能会拖延产品投放的关键因素。

     这篇论文论述了一个在集成中的具体困难：在主机设备产生干扰信号的情况下提升空间传输性能。同时本文也指导读者进行一些改进和调试技术。

系统组成

主机设备

支持3G无线通信制解调器的机壳既可以作为嵌入式部件又可以作为插入式卡，主机一般会有某种类型的通信端口（LAN、串口、电信口等等）用于数据监控和收集。通常，机壳由金属制成以降低电磁骚扰辐射量，用以满足FCC Class A或B的限值。同时我们也可以看到，为了避免这些辐射骚扰对敏感的3G无线通信接收机产生干扰，在外部天线附近需要更低的辐射限值。

图1. M2M 3G功能模块图表

3G无线通信调制解调器

　　3G无线通信调制解调器是理想的一次性集成方案，因为3G无线通信普遍存在，几乎可以工作在世界的每一个地方，不需要设计者为了满足不同频谱法规设计不同国家规格的版本。一些3G无线通信调制解调器可以工作在多频段内（850、900、1800、1900和2100MHz）并且使用所有可用的技术（GPRS、EDGE、UMTS、HSDPA、HSUPA、CDMA、EV-DO）。

   可以使用不同形状和规格的3G无线通信设备，每一个都有其优点与缺点。

嵌入式调制解调器

    这种样式的无线通信集成于设计者的PCB板中并且封闭于机壳内。参考图2和图3的基本设计。无线通信调制解调器有其自己的屏蔽层并且通过屏蔽的微型射频线缆连接到天线端口。天线连接器固定在机壳面板上以保证电气接地连接。总之，这种类型的无线集成有着对主机内部干扰信号的最佳屏蔽效果。然而，当天线安装到天线端口连接器时，接近机壳的近场辐射却使其变成最薄弱的连接方式。机壳产生的干扰信号会辐射至天线并且挤占3G无线通信调制解调器工作的同一频段。可能的改进方法将在之后说明。

图2. PCI Express 迷你卡嵌入式调制解调器

图3. 嵌入式3G无线通信调制解调器的集成

PC卡、ExpressCard、USB

这些设备具有移动性并且可以便捷的移入或者移出主机。基本设计参考图4和图5。这些无线通信调制解调器电路仍具有自我屏蔽，同时天线固定在同样的机箱内，但是留有非屏蔽部分用于通信。一旦被插入，调制解调器的内部天线与机壳便相当接近，并且接近其近场干扰辐射。PC卡与ExpressCard插入的插槽也会是机壳内泄露的辐射发射源和卡内部天线的干扰源。

4a. PC卡

4b. Express卡

4c. USB

图4.Sierra 无线通信公司的供图

图5. 3G Express卡的集成

天线

    通常情况下，固定的3G无线通信连接在覆盖范围内会存在不止一个小区而必须选择最优信号。在多数情况下，这需要全向天线而不是锁定在仅仅一个小区位置方向获得高增益的窄带定向模型。嵌入式调制解调器的集成需要一个外部天线。在插入式卡中，天线被固定在卡的隔罩内，但是对于ExpressCard这样的卡，可以有一个微型的射频接口（例如，SSMB）来进行外部天线连接。

图6. OTA测试设置-TIS测试

    有赖于这些天线的选取与设置，主机机壳产生的辐射会对无线通信接收机的性能产生不同程度的影响。无线运营商已经提出了这项性能缺陷作为空中性能（OTA）要求的一部分，特别是总全向灵敏度（TIS）。

OTA性能

    当3G无线通信设备集成进入主机设备时，一些技术挑战伴随着机遇同时而来。在产品可以被安装到任何设备之前（包括那些来自Verizon、AT&T、Vodafone以及其他厂商的产品），测试实验室即CTIA授权实验室（CATL）需要证明设备满足OTA性能要求。

运营商最小TIS（dBm）

表格1.

图7. OTA测试。远场天线在集成3G无线通信和主机上进行旋转扫描。Cetecom公司供图。

有两项基本要求：

? 总辐射功率（TRP）

? 总全向灵敏度（TIS）

    TRP和TIS的测试在替代自由空间的全电波暗室中进行，以确定设备3G无线连接的好坏程度。这篇文章关注如何提高TIS结果，该结果对提高无线通信接收机灵敏度有重要贡献。

    TIS测试表明了3G设备接收到最低的运营商信号，确保设备保持与基站端连接，并保持下载与上传数据速率的同步。测试在每个工作频段中的多个信道上进行。测试通过天线与转台的旋转来创建设备的3D球面分析。参考图6与图7的OTA测试设置。这里有一些3G设备（作为一个系统）必须满足的最小TIS等级的例子（表1）。

潜在问题

    如果设备没有经过仔细设计，其特性会降低TIS测试的结果，如图8、9和10所示。不论相信与否，对于3G无线通信的大多数普通干扰源均来自其设备自身。来自机壳的近场电磁场辐射可以被无线通信设备的天线接收并且淹没接收机的输入段，或者引起初始通话设置或者通话连接的问题。这就是OTA TIS测试的目的：隔离任何潜在的与接收机灵敏度有关的影响无线网络通话质量的问题。

    如果使用接近机壳的外部天线，它仍然会受到骚扰信号的干扰并且配置方式需要更深入的研究。

典型情况，插入式卡已经在典型设备上经过了OTA测试。任何人都可以在零售商店直接购买这些卡并且不需要更深入的OTA认证就可以使用他们的设备。有些时候，存在这种情况即选择特定的3G卡用于一个公司的主机设备，使用公司商标名称，并且作为系统的一部分从公司预定。在这种情况下，无线运营商可能需要对这些OTA性能测试在系统水平下重新取得认证（包括主机设备和3G无线通信模块）。在这一点上，带有嵌入式无线通信模块的上述问题有可能由设计师提出。

提出问题

    如果设备没有满足TIS要求，可以考虑一些改进项。通过考察TIS测试结果（见图10），你可以精确找出干扰频率占用的工作信道并且将注意力集中到减小这些骚扰上。应该注意到的是TIS测试是非常耗时的，而较长的时间必将导致昂贵的价格（达到$4,000一天）。TIS测试实验室是专业化的，所以可能它们并不能轻易地与你的公司接触。换句话说，在每次EMC整改之后一头冲出实验室之前，提前去做一些改进工作是非常重要的。下面描述的一些步骤肯定能对你有所帮助。

找到根源

    无线通信模块集成进主机需要一种特殊的方法，当其变成PCB布线和元器件布置的时候。为了维持高质量的接收机灵敏度性能以及通过TIS测试，需要考虑将无线通信装置与机壳内部的辐射噪声骚扰隔离开。为了避免潜在的PCB板重制，在设计阶段就需要考虑将无线通信装置与机壳内部的辐射噪声骚扰隔离开。即使当设计者勤勉地遵循集成的规则，也不知道设备是否能通过TIS测试，直到实际的进入实验室。OTA评价与EMC测试的顺序也应该给予考虑，因为它们是相互依赖的。

提高屏蔽性

    首先，检查机壳的构造是否存在任何未屏蔽的缝隙，缝隙的长度与3G无线通信调制解调器工作频率的微小波长一致，与其信道一致。仔细检查机壳的构造是否存在未屏蔽的缝隙是否与3G无线通信调制解调器工作频率的波长一致，会帮助避免在制造阶段之后的昂贵的重新加工的费用。

    对于嵌入式调制解调器集成，特别需要注意与机壳部分近距离的外部天线。这里可能会是典型的机壳干扰信号泄露源，被天线接收，并且传递到接收机。 对于插入式卡的集成，检查围绕天线的屏蔽隔罩的射频接地的有效性。并且确定有效的接触接地点是在卡的自身金属隔罩与之间。检查机壳内的开放插槽与屏蔽隔罩之间的接合缝隙。

图10. TIS测试举例

    在EMC暗室中对产品进行合适的辐射骚扰扫描，关注在TIS测试中失败的信道频率。下一步，使用近场EMC探头从机壳确定这些干扰信号泄露源的位置，按需改进机壳的屏蔽性。回到辐射扫描中寻找任何减小辐射的可能。记住以FCC Class A或B的限值不能作为TIS测试通过或者失败的参考。干扰频率在幅度上可能会大大低于FCC限值，但是在近场又足够强到被3G天线接收，并且引起无线通信接收机灵敏度的降低。

    甚至即使你设法使干扰辐射产生了显著的降低，也很难将这些改进与实际的TIS测试数据联系起来。近场的修正在OTA暗室中很难转变成远场的测试。可能出现的情况是通过这些改进，TIS测试结果也可以得到改进，但是改进到何种程度只能通过TIS测试来验证。

天线放置与配置

    在所有改进选项中，这可能是唯一可行的在不涉及巨大的工程财力耗费下进行PCB板重构和/或机壳机械改进方法，而这两种情况都会引起上市时间的延后。

    第一个建议是将3G天线远离噪声源，即主机机壳。这就需要将天线与机壳用射频线缆连接，不论是独立的部分还是与天线集成一体。集成的线缆需要在插入损耗与VSWR上有稍好的表现。更多细节参考图11。

    当你试图提升失败的TIS测试余量时，选择正确的线缆类型和长度是一种相互平衡行为。一方面，天线越远离干扰源（机壳），接收的运营商信号就可以具有更低的干扰信号和更好的信噪比。不幸的是，任何通过提高信噪比获得的增益将立即被线缆衰减所降低：线缆越长，衰减越大。如果需要较长的线缆，可以通过使用更高质量的线缆（例如，将RG178更换为LMR－195）降低衰减。

    你需要找到适当的配置。3G天线与机壳的最小需求距离与允许的最大线缆衰减的组合通过算术的方法从之前TIS测试结果中计算出总的提高的dB数值。

    另一种方法可以选取更加具有方向性的，或叫“扇区”的天线。扇区天线具有广角度平面（120度或者更大）以及相对窄的高度平面的典型特点。找到最佳性价比的天线可能会需要一些时间，甚至你可能会需要为了产品进行一个专门的研发，这也需要很长时间。

总结

    集成3G无线通信调制解调器至主机设备在符合无线服务提供商空中性能（over-the-air）总全向灵敏度要求时，会存在一些技术上的挑战。你需要考虑许多因素，包括3G无线通信形式因素、接地、天线选择、PCB布线、元器件布置、屏蔽和替代的远端天线放置。当改进中需要处理TIS失败的时候，你可以尝试一些测

    量和纠错技术，用以减少辐射发射和提高上行和下行数据速率。为设备至设备（M2M）应用集成3G调制解调器的商机不可忽视。理想情况下，通过遵循这篇集成方式的指导，你将会避免一些技术上的错误并且达成你上市时间的目标。

BRUCE E. TOUZEL是思科接入路由技术组的高级应用工程师，有着超过25年的在爱立信、Aegis实验室、Newbridge网络和APREL实验室相关工作经验。KG6SZT。Bruce 可以通过btouzel@cisco.com联系。

翻译：何佳 王文俭

校对：常若艇