日?qǐng)D課堂|查找射頻嵌入式系統(tǒng)中的噪聲來(lái)源

 在把射頻芯片或模塊集成到典型的嵌入式系統(tǒng)中時(shí)，設(shè)計(jì)人員必須面臨的一項(xiàng)常見(jiàn)任務(wù)是追蹤和消除噪聲和雜散信號(hào)。潛在的噪聲來(lái)源包括：開(kāi)關(guān)電源、來(lái)自系統(tǒng)其它部分的數(shù)字噪聲、以及外部噪聲來(lái)源。在考慮噪聲時(shí)，還應(yīng)考慮射頻電路產(chǎn)生的任何可能的干擾，這是避免干擾其它無(wú)線(xiàn)電設(shè)備及滿(mǎn)足法規(guī)要求的一項(xiàng)重要考慮因素。在本應(yīng)用指南中，我們將介紹使用MDO4000 系列混合域示波器系列查找噪聲來(lái)源的技術(shù)和技巧。

圖1. 泰克MDO4000 系列混合域示波器和Microchip 射頻測(cè)試電路板模塊。

把射頻通信功能集成到嵌入式系統(tǒng)中

在嵌入式系統(tǒng)中增加射頻功能時(shí)，在集成中一般會(huì)遇到許多問(wèn)題。對(duì)電池供電系統(tǒng)，一般使用開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器，以zui低的成本實(shí)現(xiàn)zui高的實(shí)用效率。電源尺寸也經(jīng)常是一個(gè)問(wèn)題。這要求使用高開(kāi)關(guān)頻率，使輸出濾波的規(guī)格和要求達(dá)到zui小。這些電源在輸出電壓上通常有紋波，這些波紋可能會(huì)出現(xiàn)在RF 發(fā)射機(jī)輸出上，特別是在搞工作負(fù)荷下或在電池電量不足時(shí)。為避免這種情況，可能需要額外的電源濾波，以避免射頻輸出信號(hào)受到影響，盡管這會(huì)導(dǎo)致增加成本或尺寸。無(wú)線(xiàn)電芯片或模塊的硬件電路和軟件配置可能會(huì)影響發(fā)送的信號(hào)質(zhì)量。如果設(shè)置和過(guò)濾不當(dāng)，射頻輸出信號(hào)可能會(huì)給其它無(wú)線(xiàn)電系統(tǒng)帶來(lái)干擾，或不能滿(mǎn)足相應(yīng)的法規(guī)標(biāo)準(zhǔn)。某些無(wú)線(xiàn)電系統(tǒng)需要信道濾波器、RF 表面聲波和其它成本相對(duì)較高的濾波器，以滿(mǎn)足信道外和帶外輻射的法規(guī)要求。

圖2. 被測(cè)器件(Microchip Technologies MRF89XA 868 MHz 無(wú)線(xiàn)電) 與MDO4000 系列混合域示波器之間的測(cè)試連接。

應(yīng)用實(shí)例：帶有開(kāi)關(guān)電源、支持無(wú)線(xiàn)功能的嵌入式系統(tǒng)

在下面的討論中，被測(cè)器件將使用一塊靈活的射頻通信集成電路，其已經(jīng)集成到射頻測(cè)試模塊中，即Microchip Technologies MRF89XM8A。這個(gè)模塊采用MRF89XA 集成電路及濾波和天線(xiàn)匹配。為進(jìn)行演示，這個(gè)模塊安裝在Microchip Explorer 16 電路板上，與電腦一起使用，對(duì)射頻參數(shù)設(shè)置進(jìn)行編程。為演示使用開(kāi)關(guān)電源對(duì)無(wú)線(xiàn)電供電的影響，我們使用升壓轉(zhuǎn)換器集成電路Microchip MCP1640，其集成到MCP1640EV 評(píng)測(cè)電路板上。這個(gè)轉(zhuǎn)換器以大約500kHz 頻率開(kāi)關(guān)，這一頻率對(duì)開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器十分常見(jiàn)。它可以提供無(wú)線(xiàn)電模塊所需的3.3 V 輸出電壓，支持zui低0.8 V 的輸入電壓。這意味著可以從一個(gè)電池單元為無(wú)線(xiàn)電供電，降低產(chǎn)品的電池尺寸。為調(diào)試這個(gè)器件，我們使用泰克MDO4000 系列混合域示波器。MDO4000 系列擁有*的功能，可以同時(shí)顯示4 個(gè)模擬信號(hào)、16 個(gè)數(shù)字波形、zui多4 條解碼的串行總線(xiàn)和/ 或并行總線(xiàn)及1 個(gè)RF 信號(hào)。所有這些信號(hào)都時(shí)間相關(guān)，顯示控制信號(hào)對(duì)模擬域和RF 域的影響。圖2 說(shuō)明了下述測(cè)試使用的設(shè)置。查找射頻嵌入式系統(tǒng)中的噪聲來(lái)源

圖3. 查看時(shí)域和頻域。

識(shí)別噪聲來(lái)源

我們測(cè)量以868 MHz 為中心的射頻頻譜，其擁有相當(dāng)?shù)偷? kbps 的FSK 調(diào)制數(shù)據(jù)速率，以供參考。圖3 顯示了參考頻譜。注意MDO4000 系列同時(shí)顯示時(shí)域視圖和頻域視圖，所有信號(hào)都時(shí)間相關(guān)。畫(huà)面的下半部分顯示了RF 信號(hào)的頻域視圖，在本例中是射頻發(fā)射機(jī)輸出，畫(huà)面的上半部分是時(shí)域的傳統(tǒng)示波器視圖。頻域視圖中顯示的頻譜來(lái)自時(shí)域視圖中短橙色

條指明的時(shí)間周期，稱(chēng)為頻譜時(shí)間(Spectrum Time)。由于時(shí)域畫(huà)面的水平量程獨(dú)立于處理時(shí)域畫(huà)面傅立葉變換(FFT) 要求的時(shí)間數(shù)量，表示與RF 采集相關(guān)的實(shí)際時(shí)間周期非常重要。MDO4000 系列示波器的*結(jié)構(gòu)可以以時(shí)間相關(guān)的方式分開(kāi)采集所有輸入( 數(shù)字信號(hào)、模擬信號(hào)和RF 信號(hào))。每個(gè)輸入有單獨(dú)的存儲(chǔ)器，視時(shí)域畫(huà)面的水平采集時(shí)間，存儲(chǔ)器中采集的RF 信號(hào)支持頻譜時(shí)間，并可以在模擬時(shí)間內(nèi)部移動(dòng)，如圖4 所示。

圖4. 使用干凈的實(shí)驗(yàn)室電源，在數(shù)據(jù)包前置碼多個(gè)符號(hào)期間顯示的占用功率測(cè)量結(jié)果。

通過(guò)MDO4000 系列，可以在采集數(shù)據(jù)中移動(dòng)頻譜時(shí)間(Spectrum Time)，考察RF 頻譜怎樣隨時(shí)間變化。在圖4 中，我們調(diào)整頻譜時(shí)間的位置，顯示數(shù)據(jù)包前置碼多個(gè)符號(hào)期間發(fā)送的信號(hào)的頻譜。頻譜時(shí)間是支持頻譜畫(huà)面希望的分辨率帶寬(RBW) 要求的時(shí)間數(shù)量。它等于窗口因數(shù)除以RBW。默認(rèn)的Kaiser Window 的整形因數(shù)為2.23，在本例中，頻譜時(shí)間為2.23/220 Hz，約為10 ms。FSK 調(diào)制一次只有一個(gè)RF 信號(hào)頻率，我們對(duì)頻譜使用較長(zhǎng)的采集時(shí)間，以測(cè)量占用帶寬和總功率。

圖5. 數(shù)據(jù)包數(shù)據(jù)期間的頻譜。頻率隨時(shí)間變化曲線(xiàn)顯示了采集的頻譜時(shí)間主要以較低頻率Tx ON 時(shí)間為主。

為簡(jiǎn)便地看到無(wú)線(xiàn)電中的數(shù)據(jù)包傳輸， 我們?cè)贛DO4000 系列的時(shí)域視圖中增加了RF 隨時(shí)間變化曲線(xiàn)。標(biāo)有“A”的橙色曲線(xiàn)顯示了瞬時(shí)RF 的幅度隨時(shí)間的變化。標(biāo)有“f”的橙色曲線(xiàn)顯示了相對(duì)于中心頻率的瞬時(shí)RF 信號(hào)的頻率隨時(shí)間變化。綠色波形( 通道4) 顯示了輸入到射頻模塊的電流。可以看到，電流從數(shù)據(jù)包之間接近0 上升到傳輸期間大約40 mA。黃色波形( 通道1) 顯示了模塊電源電壓上的AC 紋波。注意在傳輸期間只有很小的電壓暫降。圖5 顯示了在數(shù)據(jù)包數(shù)據(jù)部分獲得的同一信號(hào)。注意大多數(shù)能量位于較低的頻率上。圖4 和圖5 都是在使用干凈的實(shí)驗(yàn)室電源供電的模塊中獲得的。

圖6. 開(kāi)關(guān)電源的頻譜和電源測(cè)量結(jié)果。

圖6 顯示了相同的RF 信號(hào)，但使用升壓型開(kāi)關(guān)電源為射頻模塊供電。升壓穩(wěn)壓器因產(chǎn)生噪聲而臭名昭著，但它允許使用一個(gè)或兩個(gè)堿性或鎳鎘電池及相對(duì)較少的器件，降低了成本。注意被調(diào)制信號(hào)底部的噪聲提高。在發(fā)送的信號(hào)附近，噪聲至少要比干凈的電源高5dB。噪聲已經(jīng)清晰地顯現(xiàn)在電流波形和電壓波形中。額外的噪聲還會(huì)令從發(fā)射機(jī)到接收機(jī)上的信號(hào)信噪比變差，降低射頻系統(tǒng)的有效工作范圍。

圖7. 到等效載荷的電源開(kāi)關(guān)噪聲。

可以使用商用EMI 電流探頭測(cè)量來(lái)自電源的噪聲，電流探頭用來(lái)觀察來(lái)自圖7 中開(kāi)關(guān)裝置的噪聲。在本例中，開(kāi)關(guān)裝置由電阻器和小型電容器做模擬負(fù)載。MDO4000 系列的自動(dòng)標(biāo)記功能用來(lái)顯示電源發(fā)出的zui明顯的七個(gè)信號(hào)的頻率和幅度。MDO4000 系列可以提供zui多11 個(gè)自動(dòng)標(biāo)記，用值顯示結(jié)果，或作為相對(duì)值顯示參考zui大信號(hào)的結(jié)果。zui高值一直表示為紅色參考(Red Reference) 標(biāo)記。注意基波頻率和二次諧波的電平大體相同，約為30 dBuA。屏幕的上半部分顯示了MCP1640 IC 開(kāi)關(guān)晶體管上的波形。我們使用測(cè)量功能顯示開(kāi)關(guān)電源的開(kāi)關(guān)頻率為508 KHz 左右，確

認(rèn)與RF 頻譜中的基波頻率一致。

圖8. 使用升壓轉(zhuǎn)換器的電源和電路板噪聲。

在電源驅(qū)動(dòng)RF 電路板時(shí)，噪聲功率的時(shí)域畫(huà)面和頻域畫(huà)面變化。圖8 顯示了相同的電源噪聲及額外的信號(hào)。注意二次諧波下降，但有許多其它低電平噪聲。部分噪聲可能會(huì)給接收機(jī)的運(yùn)行帶來(lái)很大干擾，需要認(rèn)真評(píng)估。

數(shù)字電路板可能會(huì)產(chǎn)生噪聲，如圖9 所示。可以使用一只單端探頭，查找噪聲來(lái)源、幅度和頻率。MDO4000系列可以以?xún)?yōu)異的捕獲帶寬，在一個(gè)采集中覆蓋多個(gè)頻率。查找射頻嵌入式系統(tǒng)中的噪聲來(lái)源

圖9. 在使用升壓轉(zhuǎn)換器時(shí)來(lái)自數(shù)字電路板的寬頻譜噪聲。

圖9 顯示了220 MHz 范圍內(nèi)明顯的噪聲。自動(dòng)標(biāo)記顯示868 MHz 發(fā)送信號(hào)及不想要的信號(hào)的zui高電電平。我們使用手動(dòng)標(biāo)記測(cè)量zui高電平噪聲的頻率范圍。手動(dòng)標(biāo)記中顯示的測(cè)量數(shù)據(jù)還包括關(guān)心的信號(hào)的噪聲密度。了解這類(lèi)噪聲功率可能會(huì)非常重要，因?yàn)橐暯邮諜C(jī)結(jié)構(gòu)，接收機(jī)靈敏度可能受到各種頻率上的噪聲影響。

圖10. 基波信號(hào)周?chē)男诺劳忸l譜。

射頻電路產(chǎn)生的噪聲

在嵌入式系統(tǒng)中增加射頻電路時(shí)還有一個(gè)潛在問(wèn)題，即射頻模塊生成噪聲，會(huì)干擾系統(tǒng)的其它部分，或不能滿(mǎn)足無(wú)線(xiàn)電管理法規(guī)的規(guī)定。MDO4000 系列提供的測(cè)量，如占用帶寬和總發(fā)送功率，還有助于評(píng)估是否滿(mǎn)足法規(guī)要求。圖10 顯示了想要的信號(hào)的頻譜以及相鄰頻率中的雜散信號(hào)傳輸。它顯示了基波頻率任一側(cè)500 kHz 左右的部分雜散信號(hào)，但它們比基波頻率低約40 dB，整體上是可以接受的。這個(gè)圖還顯示測(cè)得的信號(hào)功率為1.4 dBm，占用帶寬為94.5 kHz，落在可以接受的100kHz 典型帶寬范圍內(nèi)。查找射頻嵌入式系統(tǒng)中的噪聲來(lái)源

圖11. 二次諧波上的頻譜。

圖11 顯示了用與圖10 基波信號(hào)相同方法測(cè)量二次諧波。注意，二次諧波上的功率電平較基礎(chǔ)諧波略微下降了不到40 dB，占用帶寬是基波信號(hào)諧波頻譜帶寬的兩倍。

圖12. 三次諧波上的頻譜。

圖12 顯示了三次諧波，其通常是射頻系統(tǒng)中zui麻煩的部分。但是，在這個(gè)頻率上，信號(hào)的噪聲功率相對(duì)于載波非常低(~ -60dBc)。

圖13. 六次諧波的頻譜。標(biāo)記峰值顯示信號(hào)低于-80 dBm。

MDO4000 系列可以在這一頻段中進(jìn)行直到六次諧波的測(cè)量。在這一頻率中，這一射頻信號(hào)幾乎沒(méi)有明顯輻射，低于-80 dBm ( 注意兩個(gè)標(biāo)記上的值)。

小結(jié)

在嵌入式系統(tǒng)中包括無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)時(shí)，要考察許多關(guān)鍵問(wèn)題，包括電源開(kāi)關(guān)噪聲的影響、正確設(shè)置射頻集成電路的工作參數(shù)、保證發(fā)射輸出滿(mǎn)足相應(yīng)的無(wú)線(xiàn)電法規(guī)。泰克MDO4000 混合域示波器系列可以診斷和測(cè)試電源和其它噪聲影響。它能夠確認(rèn)正確設(shè)置發(fā)送到無(wú)線(xiàn)電的數(shù)據(jù)命令，并能夠檢查來(lái)自發(fā)射機(jī)和其它電路的雜散輻射。它可以用來(lái)測(cè)量高達(dá)6 GHz 的RF 信號(hào)，另外還可以通過(guò)時(shí)間相關(guān)的采集，查看來(lái)自開(kāi)關(guān)電源和數(shù)字電路的低頻噪聲。