FCC和ETSI對ASK調(diào)制/短距離UHF發(fā)送器的要求

概述

針對用于遙控鑰匙(RKE)、家庭自動化、家庭安全系統(tǒng)和其他無線操控設(shè)備的無執(zhí)照發(fā)送器，美國的FCC和歐洲的ETSI都規(guī)定了其發(fā)射功率電平的限制值。這些功率限制要求對這些設(shè)備的有意發(fā)射和無意或雜散發(fā)射均適用。結(jié)合這些功率限制值并遵循相應(yīng)的測試規(guī)程，以確定設(shè)備的功率輻射是否符合所制定的規(guī)范。測試儀器設(shè)置和發(fā)送器輻射特性之間的關(guān)系對測試結(jié)果(即通過或不合格)影響很大。

本應(yīng)用筆記闡述了幅移鍵控(ASK)信號的調(diào)制譜、發(fā)送器的相位噪聲和發(fā)送器VCO瞬態(tài)頻率牽引對測試結(jié)果的影響。

ASK調(diào)制譜

可以這樣理解ASK調(diào)制譜，即用一個周期性的方波信號來調(diào)制一個RF載波信號，然后對譜線進行修正以說明數(shù)據(jù)流的隨機性。

首先，將周期為2T的方波信號看作是數(shù)據(jù)速率為1/T的1010...不歸零(NRZ)數(shù)據(jù)序列，如圖1所示。該方波的功率譜如圖2所示，其中零頻率表示載波頻率，f0。此時，f0由歸一化的載波譜線和處于(1/2T)奇數(shù)倍頻點的譜線組成。每條譜線的功率與載波(零頻率)譜線的功率之比可由下式給出：

圖1. 周期為2T的方波

圖2. 周期為2T的方波的功率譜

當(dāng)ASK調(diào)制信號是真實數(shù)據(jù)時，數(shù)據(jù)的隨機性使得功率譜的譜線修正為半周正弦波。歸一化至載波頻率的功率譜密度數(shù)學(xué)表達式是：

每個旁瓣的譜密度峰值與載波頻率的譜密度之比仍然由式1求得。

圖3所示是MAX1472 ASK發(fā)送器采用4kHz方波(相當(dāng)于8kbps的數(shù)據(jù)速率)調(diào)制時的頻譜?？梢钥吹剑髋园攴逯稻挥?kHz (即數(shù)據(jù)速率的一半)的奇數(shù)倍頻點處。

圖3. MAX1472 ASK發(fā)送器采用4kHz方波調(diào)制時的信號頻譜

請留意ASK已調(diào)信號載波譜線(或波瓣)功率和未調(diào)制(CW)載波功率之間的關(guān)系。這一點很重要，因為FCC和ETSI規(guī)范有時適用于相對功率，有時適用于絕對功率。如果發(fā)送器穩(wěn)定地輻射(未調(diào)制) P0瓦功率，然后采用占空比為50%的ASK數(shù)據(jù)流進行調(diào)制，那么調(diào)制后輻射的總功率將減半，即為P0/2。而且，調(diào)制會形成邊帶，所以頻譜的主瓣(載波)只包含了ASK已調(diào)信號一半的功率。因此，將調(diào)制旁瓣功率與發(fā)送器的CW功率相比時，等式1中的功率比應(yīng)再減去6dB(即CW功率與ASK調(diào)制后載波譜瓣功率的比值)。

舉個例子，一個輻射10mW未調(diào)制載波功率的315MHz發(fā)送器經(jīng)過ASK調(diào)制后只輻射5mW功率。在這5mW中，只有2.5m

W存在于載波波瓣中，其余的2.5mW分散在各旁瓣中。所以，當(dāng)數(shù)據(jù)速率為8kbps時(參見式1)，第101個旁瓣(距離載波頻率404kHz)的功率為：

可見旁瓣功率不僅比ASK已調(diào)信號的載波波瓣功率小44dB，而且比未調(diào)制的CW載波功率小50dB。

FCC對ASK發(fā)送器的要求

發(fā)射帶寬

FCC第15.231(c)節(jié)規(guī)定，有意發(fā)送的發(fā)射帶寬不能超過中心頻率的0.25%，其中發(fā)射帶寬由輻射譜中低于已調(diào)載波功率20dB的頻點決定。315MHz和433.92MHz是260MHz到470MHz無執(zhí)照頻帶中兩種最常用的頻率，與其相對應(yīng)，最大允許帶寬分別是787.5kHz

圖4和圖5分別示出了MAX1472 ASK發(fā)送器IC使用100kHz和30kHz測量帶寬時的測量頻譜，調(diào)制信號采用數(shù)據(jù)速率為19.2kbps的方波信號。計算出的功率電平和測量功率電平之間的差異是由相位噪聲、VCO瞬態(tài)牽引和峰值保持測量技術(shù)造成的。使用30kHz的分辨帶寬可以使功率測量值從-25dBc降至-30dBc，從而增加了滿足發(fā)射帶寬要求的裕度。

圖4. 頻譜分析儀采用100kHz分辨帶寬進行FCC發(fā)射帶寬測量時，所測量的MAX1472已調(diào)信號頻譜，調(diào)制信號為9.6kHz方波信號。

圖5. 頻譜分析儀采用30kHz分辨帶寬進行FCC發(fā)射帶寬測量時，所測量的MAX1472已調(diào)信號頻譜，調(diào)制信號為9.6kHz方波信號。

雜散輻射

FCC第15.231(b)(3)節(jié)指出，雜散輻射的信號強度必須保持在該節(jié)表格中列出的規(guī)定電平以下。該表格規(guī)定了載波頻率處的有意發(fā)射限制值和發(fā)射帶寬之外的雜散輻射限制值。這些雜散信號強度要比所允許的最大有意發(fā)送電平低20dB。也就是說，如果發(fā)送器正在輻射最大允許電平，那么發(fā)射帶寬之外的輻射功率必須比載波功率電平低20dB以上。這符合輻射最大功率時的20dB發(fā)射帶寬要求。根據(jù)CISPR-16，需使用一個準峰值檢波器或者帶峰值檢波器的頻譜分析儀測量雜散輻射。除了頻譜分析儀的帶寬設(shè)置為100kHz外，該過程很像發(fā)射帶寬的測量過程。

我們應(yīng)該注意到，如果發(fā)送器輻射的不是最大允許功率，那么最大雜散輻射電平仍然采用表格中所規(guī)定的絕對信號強度值。這樣的話，發(fā)射帶寬外的雜散輻射可能并不需要比有意輻射功率低20dB。

ETSI對ASK發(fā)送器的要求

在歐洲，433.05MHz至434.79MHz的頻帶內(nèi)允許發(fā)送高達+10dBm的信號。滿足ETSI EN 300 220-1規(guī)范要求的主要目的是使帶外發(fā)射保持在250nW (或-36dBm)以下，并且在470MHz至862MHz頻段內(nèi)保持在4nW (或-54dBm)以下。433MHz頻帶的帶外是指433.05MHz至434.79MHz的1.74MHz頻譜之外的任意頻率。選擇433.92MHz，因為它剛好處于頻帶的中心頻點。以載波頻率為參考點，任何.

均功率高出10dB，從而會將測量功率提高到-36dBm，剛好滿足ETSI要求。對于8kbps數(shù)據(jù)速率，一些測量實驗室可能堅持使用30kHz 的分辨帶寬來接收所有主要的調(diào)制邊帶，而這會將測量值提高到-31dBm。這顯然超過了ETSI的限制要求，所以需要降低數(shù)據(jù)速率以使所有主要調(diào)制邊帶均保持在10kHz帶寬之內(nèi)。為了保證三個波瓣均在10kHz以內(nèi)，可靠的數(shù)據(jù)速率是5kbps。也可以對調(diào)制脈沖進行波形整形，以實現(xiàn)更高的數(shù)據(jù)速率。調(diào)制脈沖整形可以極大地降低更高階調(diào)制邊帶的功率，所以即使使用了更高的測量帶寬，頻帶邊緣處的功率還是會低很多。

數(shù)據(jù)速率越低，越容易滿足ETSI的限制要求。圖6所示是用1.5kHz方波對433.92MHz、+10dBm的載波進行ASK調(diào)制時頻譜分析儀的測量跡線，該結(jié)果是頻譜分析儀在434.79MHz (零掃描)處用3kHz帶寬測量得到的。這相當(dāng)于3kbps的數(shù)據(jù)速率。該跡線的峰值幅度大約為-45dBm，相對于+10dBm載波為-55dBc。該結(jié)果與距離載波頻率870kHz處的第581個調(diào)制邊帶的功率計算結(jié)果是一致的：相對于+10dBm為-65dBc (或-55dBm)，因為采用峰值檢波器，會在此基礎(chǔ)上增加10dB。即使采用10kHz帶寬，該調(diào)制也滿足ETSI的限制要求。

圖6. 在434.79MHz處測量的3kbps ASK已調(diào)載波的調(diào)制邊帶功率，載波頻率為433.92MHz。

這些計算結(jié)果和測量數(shù)據(jù)表明，在數(shù)據(jù)速率高于5kbps時，為了在歐洲的434MHz頻段內(nèi)輻射最大允許功率，需要進行脈沖整形。在該測試中，ASK調(diào)制對VCO的瞬態(tài)牽引不會增加測量功率，因為該測量中的分辨帶寬遠低于100kHz。

ETSI 300 220-1的建議修訂版(2.1.1版本，與現(xiàn)有的1.3.1版本相對)將會對幅度和ASK調(diào)制信號施加更為嚴厲的限制。它在該測量中甚至要求100kHz的分辨帶寬，而不考慮邊帶結(jié)構(gòu)。該版本目前還沒有被采納。如果被采納，在兩到三年之內(nèi)不會生效。

雜散輻射

ETSI 300 220-1第8.7節(jié)這樣定義雜散輻射：不考慮與標準調(diào)制測試相關(guān)的載波和邊帶頻率輻射，只考慮其他頻率范圍的功率輻射。該測量旨在找出無意混頻或時鐘諧波，而不考慮通過調(diào)制載波所得到的譜功率。如果可能，該測量最好在未調(diào)制載波的情況下進行，這樣就不用再考慮調(diào)制邊帶的問題。但是仍然需要考慮測量帶寬內(nèi)發(fā)送器相位噪聲的功率電平。 在433.05MHz至434.79MHz頻帶之外允許輻射的最大功率是-36dBm，而470MHz至 862MHz頻帶范圍不包括在內(nèi)，該頻率范圍的輻射限制值是-54dBm。該功率測量方法與第8.6節(jié)中的調(diào)制邊帶測量方法不同。所測量的功率是100kHz帶寬內(nèi)的平均功率。這說明噪聲信號(比如相位噪聲)在距離載波頻率870kHz之外的輻射功率密度不能高于-86dBm/Hz (-36dBm除以100kHz帶寬)。如果發(fā)送器的CW功率是+10dBm，那么發(fā)送器的相位噪聲密度應(yīng)該低于-96dBc/Hz (-86dBm/Hz除以+10dBm未調(diào)制載波功率)。

MAX1472和MAX7044的相位噪聲譜密度大約為-91dBc/Hz，所以如果這兩個器件輻射+10dBm的CW功率，則其雜散輻射比ETSI要求的限制值高出5dB。如果這兩個器件降低輻射功率(+5dBm)，則可以滿足ETSI要求。在距離載波頻率870kHz處，MAX1479的相位噪聲譜密度是-98dBc/Hz，所以按照ETSI規(guī)定，它完全可以輻射+10dBm的功率電平。在470MHz至862MHz頻率范圍內(nèi)，-54dBm的功率限制要求可換算成-114dBc/Hz的相位噪聲密度。Maxim的所有發(fā)送器都符合該功率電平要求，因為該頻帶的低頻邊緣(470MHz)遠離載波，所以輻射的噪聲僅僅來自于發(fā)送器的熱噪聲基底。