查找射頻嵌入式系統(tǒng)中的噪聲來源

查找射頻嵌入式系統(tǒng)中的噪聲來源在把射頻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(xiàng)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)考慮射頻電路產(chǎn)生的任何可能的干擾，這是避免干擾其它無線電設(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，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(shí)現(xiàn)最高的實(shí)用效率。電源尺寸也經(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，這些波紋可能會出現(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。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受到影響，盡管這會導(dǎo)致增加成本或尺寸。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)，射頻輸出信號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。

圖2.被測器件(MicrochipTechnologiesMRF89XA868MHz無線電)與MDO4000系列混合域示波器之間的測試連接。應(yīng)用實(shí)例：帶有開關(guān)電源、支持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射頻通信集成電路，其已經(jīng)集成到射頻測試模塊中，即MicrochipTechnologiesMRF89XM8A。這個模塊采用MRF89XA集成電路及濾波和天線匹配。為進(jìn)行演示，這個模塊安裝在MicrochipExplorer16電路板上，與電腦一起使用，對射頻參數(shù)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MicrochipMCP1640，其集成到MCP1640EV評測電路板上。這個轉(zhuǎn)換器以大約500kHz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3.3V輸出電壓，支持最低0.8V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。為調(diào)試這個器件，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。圖2說明了下述測試使用的設(shè)置。

圖3.查看時域和頻域。識別噪聲來源我們測量以868MHz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，在本例中是射頻發(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(SpectrumTime)。由于時域畫面的水平量程獨(dú)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(shí)際時間周期非常重要。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(dú)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4所示。

圖4.使用干凈的實(shí)驗(yàn)源，在數(shù)據(jù)前碼多個符期間的占用功率測結(jié)果。通過MDO4000系列，可以在采集數(shù)據(jù)中移動頻譜時間(SpectrumTime)，考察RF頻譜怎樣隨時間變化。在圖4中，我們調(diào)整頻譜時間的位置，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分辨率帶寬(RBW)要求的時間數(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，頻譜時間為2.23/220Hz，約為10ms。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。

圖5.數(shù)據(jù)包數(shù)據(jù)期間的頻譜。頻率隨時間變化曲線顯示了采集的頻譜時間主要以較低頻率TxON時間為主。為簡便地看到無線電中的數(shù)據(jù)包傳輸，我們在MDO4000系列的時域視圖中增加了RF隨時間變化曲線。標(biāo)有“A”的橙色曲線顯示了瞬時RF的幅度隨時間的變化。標(biāo)有“f”的橙色曲線顯示了相對于中心頻率的瞬時RF信號的頻率隨時間變化。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40mA。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。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量結(jié)果。圖6顯示了相同的RF信號，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，但它允許使用一個或兩個堿性或鎳鎘電池及相對較少的器件，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。額外的噪聲還會令從發(fā)射機(jī)到接收機(jī)上的信號信噪比變差，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?？梢允褂蒙逃肊MI電流探頭測量來自電源的噪聲，電流探頭用來觀察來自圖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(RedReference)標(biāo)記。注意基波頻率和二次諧波的電平大體相同，約為30dBuA。屏幕的上半部分顯示了MCP1640IC開關(guān)晶體管上的波形。我們使用測量功能顯示開關(guān)電源的開關(guān)頻率為508KHz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RF電路板時，噪聲功率的時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。注意二次諧波下降，但有許多其它低電平噪聲。部分噪聲可能會給接收機(jī)的運(yùn)行帶來很大干擾，需要認(rèn)真評估。數(shù)字電路板可能會產(chǎn)生噪聲，如圖9所示?？梢允褂靡恢粏味颂筋^，查找噪聲來源、幅度和頻率。MDO4000系列可以以優(yōu)異的捕獲帶寬，在一個采集中覆蓋多個頻率。

圖9.在使用升壓轉(zhuǎn)換器時來自數(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220MHz范圍內(nèi)明顯的噪聲。自動標(biāo)記顯示868MHz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?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)中增加射頻電路時還有一個潛在問題，即射頻模塊生成噪聲，會干擾系統(tǒng)的其它部分，或不能滿足無線電管理法規(guī)的規(guī)定。MDO4000系列提供的測量，如占用帶寬和總發(fā)送功率，還有助于評估是否滿足法規(guī)要求。圖10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。它顯示了基波頻率任一側(cè)500kHz左右的部分雜散信號，但它們比基波頻率低約40dB，整體上是可以接受的。這個圖還顯示測得的信號功率為1.4dBm，占用帶寬為94.5kHz，落在可以接受的100kHz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基波信號相同方法測量二次諧波。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40dB，占用帶寬是基波信號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，在這個頻率上，信號的噪聲功率相對于載波非常低(~-60dBc)。

圖13.六次諧波的頻譜。標(biāo)記峰值顯示信號低于-80dBm。MDO4000系列可以在這一頻段中進(jìn)行直到六次諧波的測量。在這一頻率中，這一射頻信號幾乎沒有明顯輻射，低于-80dBm(注意兩個標(biāo)記上的值)。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