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)線電設(shè)備及滿足法規(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)遇到許多問題。

對(duì)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(shí)現(xiàn)最高的實(shí)用效率。電源尺寸也經(jīng)常是一個(gè)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，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)置和過濾不當(dāng)，射頻輸出信號(hào)可能會(huì)給其它無(wú)線電系統(tǒng)帶來(lái)干擾，或不能滿足相應(yīng)的法規(guī)標(biāo)準(zhǔn)。某些無(wú)線電系統(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：帶有開關(guān)電源、支持無(wú)線功能的嵌入式系統(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MicrochipTechnologies MRF89XM8A。這個(gè)模塊采用 MRF89XA集成電路及濾波和天線匹配。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。

為演示使用開關(guān)電源對(duì)無(wú)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(píng)測(cè)電路板上。這個(gè)轉(zhuǎn)換器以大約500 kHz頻率開關(guān)，這一頻率對(duì)開關(guān)穩(wěn)壓器十分常見。它可以提供無(wú)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(gè)電池單元為無(wú)線電供電，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 系列擁有獨(dú)特的功能，可以同時(shí)顯示 4個(gè)模擬信號(hào)、16 個(gè)數(shù)字波形、最多 4 條解碼的串行總線和 / 或并行總線及 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。

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?2 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，稱為頻譜時(shí)間(Spectrum Time)。

由于時(shí)域畫面的水平量程獨(dú)立于處理時(shí)域畫面傅立葉變換(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系列示波器的獨(dú)特結(jié)構(gòu)可以以時(shí)間相關(guān)的方式分開采集所有輸入(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)源，在數(shù)據(jù)前碼多個(gè)符期間的占用功率測(cè)結(jié)果。

通過 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 KaiserWindow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。標(biāo)有“A”的橙色曲線顯示了瞬時(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?？梢钥吹?，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 5 dB。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)出的最明顯的七個(gè)信號(hào)的頻率和幅度。MDO4000系列可以提供最多11個(gè)自動(dòng)標(biāo)記，用絕對(duì)值顯示結(jié)果，或作為相對(duì)值顯示參考最大信號(hào)的結(jié)果。最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 開關(guān)晶體管上的波形。我們使用測(cè)量功能顯示開關(guān)電源的開關(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)域畫面和頻域畫面變化。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?？梢允褂靡恢粏味颂筋^，查找噪聲來(lái)源、幅度和頻率。MDO4000系列可以以優(yōu)異的捕獲帶寬，在一個(gè)采集中覆蓋多個(gè)頻率。

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。

更高 RF 頻率上額外的寬頻譜噪聲圖 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)的最高電電平。我們使用手動(dòng)標(biāo)記測(cè)量最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)周圍的信道外頻譜。

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，或不能滿足無(wú)線電管理法規(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 100 kHz 典型帶寬范圍內(nèi)。

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)中最麻煩的部分。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)線通信技術(shù)時(shí)，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)置射頻集成電路的工作參數(shù)、保證發(fā)射輸出滿足相應(yīng)的無(wú)線電法規(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)，另外還可以通過時(shí)間相關(guān)的采集，查看來(lái)自開關(guān)電源和數(shù)字電路的低頻噪聲。