使用混合域示波器查找無線嵌入式系統(tǒng)中的噪聲來源

在把無線電芯片或模塊集成到典型的嵌入式系統(tǒng)中時，設(shè)計人員必須面臨的一項常見任務(wù)是追蹤和消除噪聲和雜散信號。潛在的噪聲來源包括：開關(guān)電源、來自系統(tǒng)其它部分的數(shù)字噪聲、以及外部噪聲來源。在考慮噪聲時，還應(yīng)考慮無線電產(chǎn)生的任何可能的干擾，這是避免干擾其它無線電及滿足法規(guī)要求的一項重要考慮因素。

查找噪聲來源一直不是一件輕松的事情。但是，新增的無線技術(shù)進(jìn)一步提高了嵌入式系統(tǒng)的復(fù)雜程度，設(shè)計人員在跟蹤噪聲來源方面面臨著更大的障礙。我們必須面對這個現(xiàn)實，即無線技術(shù)無處不在。據(jù)估算，目前使用的無線設(shè)備已經(jīng)超過10億臺，30%的嵌入式設(shè)計現(xiàn)在包括無線功能，而且這一數(shù)字每天都在持續(xù)增長。

在嵌入式系統(tǒng)中增加無線功能時，在集成中一般會遇到許多問題。對電池供電系統(tǒng)，一般使用開關(guān)穩(wěn)壓器，以最低的成本實現(xiàn)最高的實用效率。電源輸出功率也經(jīng)常是一個問題。這要求使用高開關(guān)頻率，使輸出濾波的規(guī)格和要求達(dá)到最小。這些電源在輸出電壓上通常有紋波，其可能會顯示在RF發(fā)射機(jī)輸出上，特別是在負(fù)荷下或在電池電量不足時。為避免這種情況，可能需要額外的電源濾波，以避免無線電信號不想要的損傷，盡管這會導(dǎo)致不希望的成本或功率。

無線電芯片或模塊的硬件電路和軟件配置可能會影響發(fā)送的信號質(zhì)量。如果設(shè)置和過濾不當(dāng)，無線電可能會給其它無線電系統(tǒng)帶來干擾，或不能滿足相應(yīng)的法規(guī)標(biāo)準(zhǔn)。某些無線電系統(tǒng)需要信道濾波器、RF表面聲波和其它成本相對較高的濾波器，以滿足信道外和帶外輻射的法規(guī)要求。

作為嵌入式設(shè)計人員首選的工具，示波器是單純?yōu)檫M(jìn)行時域測量而優(yōu)化的。MSO (混合信號示波器)可以同時測量模擬信號和數(shù)字信號，但使用示波器很難在RF載波上有效測量RF信號。另外很難把時域和頻域中的事件充分關(guān)聯(lián)起來，而這對查找系統(tǒng)級問題至關(guān)重要。

盡管頻譜分析儀可以在頻域中進(jìn)行測量，但對大多數(shù)嵌入式設(shè)計人員來說，頻譜分析儀并不是首選的工具。使用頻譜分析儀在系統(tǒng)其余地方進(jìn)行時間相關(guān)測量幾乎是不可能的。

在本文中，我們將考察使用一種稱為混合域示波器或MDO的新型儀器查找噪聲來源的技巧和技術(shù)。泰克最近推出了世界上第一臺MDO，本文中的實例就基于MDO4000系列。該示波器擁有獨特的功能，可以同時顯示4個模擬信號、16個數(shù)字波形、最多4條解碼的串行總線和/或并行總線及1個RF信號。所有這些信號都時間相關(guān)，顯示控制信號對模擬域和RF域的影響。

在深入了解使用MDO的操作實例之前，我們首先回顧一下這一示波器背后的部分主要概念。混合域示波器在查找噪聲來源中的主要價值，是它能夠在兩個域(時域和頻域)中進(jìn)行時間相關(guān)測量。此外，它可以在多個模擬信號、數(shù)字信號和RF信號中進(jìn)行這些測量。

所謂時間相關(guān)，是指MDO能夠測量所有輸入之間的定時關(guān)系。例如，它可以測量控制信號與無線電傳輸之開始之間的時間，測量發(fā)送的無線電信號的上升時間，或測量無線數(shù)據(jù)流中的多個符號之間的時間?？梢苑治瞿撤N設(shè)備狀態(tài)變化期間的電源電壓暫降，并與對RF信號的影響相關(guān)。時間相關(guān)對了解整個系統(tǒng)操作或因果關(guān)系非常重要。

時域信號是最好用幅度隨時間變化觀察的信號，這些信號在傳統(tǒng)上使用示波器測量。用幅度隨時間變化觀察信號有助于回答下面這些問題：“電源真的是DC嗎？”“這個數(shù)字信號的建立時間是否充足？”“我的RF信號打開了么？”“目前正在通過這條有線總線傳送哪些信息？”時域信號不限于模擬輸入。觀看RF幅度、頻率和相位隨時間變化可以研究RF信號簡單的模擬調(diào)制特點、啟動特點和穩(wěn)定特點。

頻域信號則是最好用幅度隨頻率變化觀察的信號，這些信號在傳統(tǒng)上使用頻譜分析儀測量。用幅度隨頻率變化觀察信號有助于回答下面這些問題：“發(fā)送的這個RF信號是否位于分配的頻譜范圍內(nèi)？”“這個信號上的諧波失真是否會導(dǎo)致設(shè)備問題？”“這個頻段中是否存在任何信號？”

應(yīng)用實例：帶有開關(guān)電源、具有無線功能的嵌入式系統(tǒng)

在下面的討論中，被測器件將使用一塊靈活的無線電集成電路，其已經(jīng)集成到無線電測試模塊中，即Microchip Technologies MRF89XM8A。這個模塊采用MRF89XA集成電路無線電及濾波和天線匹配。為進(jìn)行演示，這個模塊安裝在Microchip Explorer 16電路板上，與電腦一起使用，對無線電設(shè)置進(jìn)行編程。

為演示使用開關(guān)電源對無線電供電的影響，我們使用升壓轉(zhuǎn)換器集成電路Microchip MCP1640，其集成到MCP1640EV評測電路板上。這個轉(zhuǎn)換器以大約500 kHz頻率開關(guān)，這一頻率對開關(guān)穩(wěn)壓器十分常見。它可以提供無線電模塊所需的3.3 V輸出電壓，支持最低0.8 V的輸入電壓。這意味著可以從一個電池單元為無線電供電，降低產(chǎn)品的電池尺寸。圖1是測試設(shè)置圖。

圖1.被測器件(Microchip Technologies MRF89XA 868 MHz無線電)與混合域示波器之間的測試連接。

我們測量以868 MHz為中心的無線電頻譜，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2顯示了參考頻譜。注意MDO同時顯示時域視圖和頻域視圖，所有信號都時間相關(guān)。

畫面的下半部分顯示了RF信號的頻域視圖，在本例中是無線電發(fā)射機(jī)輸出，畫面的上半部分是時域的傳統(tǒng)示波器視圖。頻域視圖中顯示的頻譜來自時域視圖中短橙色條指明的時間周期，稱為頻譜時間(Spectrum Time)。

圖2. 觀察時域和頻域。

由于時域畫面的水平量程獨立于處理時域畫面傅立葉變換(FFT)要求的時間數(shù)量，表示與RF采集相關(guān)的實際時間周期非常重要。MDO系列示波器的獨特結(jié)構(gòu)可以以時間相關(guān)的方式分開采集所有輸入(數(shù)字信號、模擬信號和RF信號)。每個輸入有單獨的存儲器，視時域畫面的水平采集時間，存儲器中采集的RF信號支持頻譜時間，并可以在模擬時間內(nèi)部移動，如圖3所示。
 

圖3. 使用干凈的實驗室電源顯示的多個數(shù)據(jù)包前置碼符號期間的占用功率測量。

可以在采集數(shù)據(jù)中移動頻譜時間(Spectrum Time)，考察RF頻譜怎樣隨時間變化。在圖3中，我們放置頻譜時間，顯示數(shù)據(jù)包前置碼多個符號期間發(fā)送的信號的頻譜。頻譜時間是支持頻譜畫面希望的解析帶寬(RBW)要求的時間數(shù)量。它等于窗口整形因數(shù)除以RBW。默認(rèn)的Kaiser Window的整形因數(shù)為2.23，在本例中，頻譜時間為2.23/220 Hz，約為10 ms。

FSK調(diào)制一次只有一個RF信號頻率，我們對頻譜使用較長的采集時間，以測量占用帶寬和總功率。

為簡便地看到無線電中的數(shù)據(jù)包傳輸，我們在時域視圖中增加了RF隨時間變化曲線。標(biāo)有“A”的橙色曲線顯示了瞬時RF幅離隨時間變化。標(biāo)有“f ”的橙色曲線顯示了相對于畫面中心頻率的瞬時RF頻率隨時間變化。綠色曲線(通道4)顯示了到模塊的電流。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。黃色曲線(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。

上圖是在使用干凈的實驗室電源供電的模塊中獲得的，這在實際環(huán)境中很難實現(xiàn)，但可以作用實用參考。圖4顯示了相同的RF信號，但使用升壓型開關(guān)電源為無線電模塊供電。升壓穩(wěn)壓器因產(chǎn)生噪聲而臭名昭著，但它允許使用一個或兩個堿性或鎳鎘單元及相對較少的器件，降低了成本。注意被調(diào)制信號底部的噪聲提高。在發(fā)送的信號附近，噪聲至少要比干凈的電源高5 dB。噪聲已經(jīng)容易地顯現(xiàn)在電流波形和電壓波形中。額外的噪聲還會令從發(fā)射機(jī)收集這些數(shù)據(jù)所使用的接收機(jī)上的信號信噪比劣化，降低無線電系統(tǒng)的有效范圍。

圖4. 開關(guān)電源的頻譜和電源測量結(jié)果。

可以使用商用EMI電流探頭測量來自電源的噪聲，電流探頭用來觀察來自圖5中開關(guān)裝置的噪聲。在本例中，開關(guān)裝置由電阻器和小型電容器提供載荷。MDO中的自動標(biāo)記功能用來顯示電源發(fā)出的最明顯的七個信號的頻率和幅度。MDO4000系列可以提供最多11個自動標(biāo)記，用絕對值顯示結(jié)果，或作為相對值顯示參考最大信號的結(jié)果。最高值一直表示為紅色參考(Red Reference)標(biāo)記。注意基礎(chǔ)頻率和二階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開關(guān)晶體管上的波形。我們使用測量功能顯示開關(guān)頻率，確認(rèn)RF標(biāo)記測量。

圖5. 到等效載荷的電源開關(guān)噪聲。

在電源驅(qū)動RF電路板時，噪聲功率的時域畫面和頻域畫面變化。圖6顯示了相同的電源噪聲及額外的信號。注意二階諧波下降，但有許多其它低電平噪聲。部分噪聲可能會給無線電接收機(jī)的運行帶來很大干擾，需要認(rèn)真評估。

圖6. 使用升壓轉(zhuǎn)換器的電源和電路板噪聲。

數(shù)字電路板可能會產(chǎn)生噪聲，如圖7所示。可以使用一只單線探頭，查找噪聲來源、幅度和頻率。這里，在220 MHz范圍內(nèi)有明顯的噪聲。自動標(biāo)記顯示868 MHz發(fā)送信號及不想要的信號的最高電電平。我們使用手動標(biāo)記測量最高電平噪聲的頻率范圍。手動標(biāo)記中顯示的測量數(shù)據(jù)還包括關(guān)心的信號的噪聲密度。了解這類噪聲功率可能會非常重要，因為視無線電接收機(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7. 在使用升壓轉(zhuǎn)換器時來自數(shù)字電路板的寬頻譜噪聲。

無線電產(chǎn)生的噪聲
在嵌入式系統(tǒng)中增加無線電系統(tǒng)時還有一個潛在問題，即無線電生成噪聲，會干擾系統(tǒng)的其它部分，或不能滿足無線電信號的法規(guī)限制。占用帶寬和總發(fā)送功率等測量還有助于評估是否滿足法規(guī)要求。

圖8顯示了想要的信號的頻譜以及相鄰頻率中的雜散信號傳輸。它顯示了基礎(chǔ)頻率任一側(cè)500 kHz左右的部分雜散信號，但它們比基礎(chǔ)頻率低約40 dB，整體上是可以接受的。這個圖還顯示測得的信號功率為1.4 dBm，占用帶寬為94.5 kHz，落在可以接受的100 kHz典型帶寬范圍內(nèi)。

圖8.基礎(chǔ)信號周圍的信道外頻譜。

下一步是使用與圖8中基礎(chǔ)頻率相同的測量查看二階諧波。在這個實例中，我們發(fā)現(xiàn)，二階諧波上的功率電平較基礎(chǔ)諧波略微下降了不到40 dB，占用帶寬是基礎(chǔ)諧波頻譜帶寬的兩倍。圖9顯示了三階諧波，其通常是無線電系統(tǒng)中最麻煩的部分。但是，在這個頻率上，信號的噪聲功率相對于載波非常低(~ -60dBc)。

可以直到六階諧波在這個頻段中進(jìn)行測量。在這一頻率中，這一無線電幾乎沒有明顯輻射，低于-80 dBm。

圖9. 三階諧波上的頻譜。

小結(jié)
在嵌入式系統(tǒng)中包括無線通信技術(shù)時，要考察許多關(guān)鍵問題，包括電源開關(guān)噪聲的影響、正確設(shè)置無線電集成電路的工作參數(shù)、保證發(fā)射輸出滿足相應(yīng)的無線電法規(guī)。

MDO能夠查看時間相關(guān)的信號，幫助設(shè)計人員高效診斷和測試電源和其它噪聲影響。它能夠確認(rèn)正確設(shè)置發(fā)送到無線電的數(shù)據(jù)命令，并能夠檢查來自發(fā)射機(jī)和其它電路的雜散輻射。它可以用來測量高達(dá)6 GHz的RF信號，另外還可以通過時間相關(guān)的采集，查看來自開關(guān)電源和數(shù)字電路的低頻噪聲。
 

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