全球趨勢下無(wú)線(xiàn)嵌入式系統的系統級設計和檢驗

設計和實(shí)現無(wú)線(xiàn)系統的一個(gè)重大挑戰是使之能夠用于世界不同地區。在使用的頻率、調制類(lèi)型、功率電平和帶寬方面，全球并沒(méi)有達成一致。無(wú)線(xiàn)電法規在不同地區之間差異很大，特別是在沒(méi)有牌照的無(wú)線(xiàn)電控制和遙測應用使用的那部分頻段。

對某些應用來(lái)說(shuō)，在2.4GHz上運行的標準化無(wú)線(xiàn)電（如藍牙、ZigBee或Wi-Fi）幾乎可以用于世界上任何地方。然而對其它應用而言，改進(jìn)大樓穿透力、降低干擾、減少低頻無(wú)線(xiàn)電的能耗可能是更好的選擇。在這種情況下，設計人員的任務(wù)是優(yōu)化和檢驗無(wú)線(xiàn)電集成電路，使得這些集成電路能夠用于相同應用，但用于不同地區。

本文考察了嵌入式無(wú)線(xiàn)電集成電路和模塊技術(shù)。這些技術(shù)非常靈活，通過(guò)數十個(gè)設置寄存器來(lái)實(shí)現， 可以?xún)?yōu)化用于北美和歐洲地區。為了滿(mǎn)足不同市場(chǎng)對于功率、頻率和占用帶寬等的要求，工程師必須能夠檢驗無(wú)線(xiàn)電的射頻運行并確認發(fā)送到無(wú)線(xiàn)電的命令和數據是正確的。

過(guò)去，這是一項很難的任務(wù)，不但需要關(guān)聯(lián)無(wú)線(xiàn)電發(fā)射機的RF輸出，同時(shí)還要讀取控制信號。這些控制信號包括能夠觸發(fā)和解碼SPI和其它總線(xiàn)，測量吸收電流、電源電壓及其它模擬信號和數字信號。一般來(lái)說(shuō)，這需要結合使用示波器和頻譜分析儀進(jìn)行測量，然后手動(dòng)關(guān)聯(lián)捕獲的信號。最近，泰克推出業(yè)內第一個(gè)、也是唯一一個(gè)商用混合域示波器（MDO），把示波器和頻譜分析儀融合在一臺儀器中。在本文中，我們將介紹如何使用這一儀器，并促進(jìn)北美和歐洲地區的無(wú)線(xiàn)電集成電路優(yōu)化。

了解法規

在大樓中傳播信號時(shí)，無(wú)線(xiàn)電集成電路在900MHz頻段范圍內的效率要高于2.4GHz頻段。這些集成電路可以用于世界上大部分地區，靈活地進(jìn)行不同配置并滿(mǎn)足當地法規。首先，應清楚地了解針對的不同地區允許使用哪些頻段。

在歐洲大部分地區，沒(méi)有牌照的無(wú)線(xiàn)電系統允許在868MHz范圍內工作，發(fā)射足夠的功率來(lái)涵蓋大樓內幾百英尺的范圍，在某些國家和頻段中甚至可以達到25mW或更高的發(fā)射功率 .由于法規中允許的頻段相對較窄，這些系統只能占用有限的頻譜帶寬。

相比之下，在北美，915MHz周?chē)鷽](méi)有牌照的頻譜分配范圍相對較大（902~928MHz）。但是，為了以幾分之一毫瓦以上的功率發(fā)送，信號必須擴散到至少500 kHz的頻譜中，進(jìn)一步限制了峰值功率。北美市場(chǎng)允許選擇窄帶低功率應用或者900MHz頻譜中較高功率的寬帶應用。還可以采用跳頻，但所要求的軟件要比寬帶（數字）調制復雜得多。盡管使用帶寬較寬的信號有某些劣勢，但它可以提供更高的數據吞吐量。與北美允許的窄帶信號中低得多的功率電平相比，更寬的帶寬及更高的發(fā)射機功率可以用于更長(cháng)的量程。

我們選擇使用MRF89XAM8A模塊上的Microchip Technologies MRF89XA集成電路，來(lái)闡述部分集成問(wèn)題并確認正確運行所需的測試。除在工作模式上具有較大靈活性以外，這種集成電路的接收機能耗低，適合用于電池供電的應用。為方便起見(jiàn)，我們使用為868 MHz頻段優(yōu)化的模塊，與北美需要的元件略有不同。

在儀器一側，我們使用泰克MDO4104-6混合域示波器。它能夠同時(shí)顯示直到1GHz帶寬的多個(gè)模擬信號、16個(gè)數字波形（包括數字數據解碼）以及高達6GHz的RF信號。所有這些信號都可以時(shí)間相關(guān)，顯示控制信號和模擬信號對RF時(shí)域和頻域的影響。

為了演示需要測量的信號并保證兩種發(fā)射機模式正確運行，我們使用Microchip Explorer 16演示電路板來(lái)控制無(wú)線(xiàn)電模塊并連接示波器。圖1說(shuō)明了使用的設置。

圖1 – 被測器件（Microchip MRF89XA模塊）和混合域示波器之間的測試連接。

性能設置和測量

對歐洲大部分地區來(lái)說(shuō)，在868MHz頻段中最高允許 25mW的發(fā)射功率，其帶寬一般為100kHz（視特定子頻段而定）。對這一系統，把它設置成以每秒5kb速率發(fā)送FSK（頻移鍵控），標稱(chēng)偏差為33kHz.圖2中的橙色條顯示了前置碼部分傳輸期間捕獲的這個(gè)信號的頻譜約為4ms,以及同一時(shí)間刻度上的多條時(shí)域曲線(xiàn)。頻譜時(shí)間（Spectrum Time）由窗口整形因數除以解析帶寬（RBW）確定。在這個(gè)實(shí)例中，Kaiser Window函數的整形因數值為2.23,RBW為550Hz, 要求的采集時(shí)間約為4ms.頻域畫(huà)面中還顯示了總功率和占用帶寬測量數據。

圖2 – 時(shí)域和頻域視圖和測量。

在前置碼期間測得的占用帶寬為98kHz,滿(mǎn)足FSK信號的技術(shù)規范。1.4dBm的輸出功率（剛剛大于1mW）低于目標，當國家法規允許時(shí)，通過(guò)使用匹配更好的高增益天線(xiàn)或簡(jiǎn)單的功放器，能夠方便的將功率提高到25 mW或以上。在屏幕上半部分，綠色曲線(xiàn)（曲線(xiàn)4）是模塊吸收的電流。黃色曲線(xiàn)（曲線(xiàn)1）顯示了為模塊提供的電壓。曲線(xiàn)A是RF信號的幅度。注意在集成電路啟動(dòng)時(shí)，電流剛開(kāi)始時(shí)上升了幾mA.只有在電流達到整整40mA時(shí)，我們才能看到RF信號。

頻率隨時(shí)間變化曲線(xiàn)用橙色曲線(xiàn)f表示，顯示出每格50kHz時(shí)信號FSK調制的頻率偏差。這也驗證了頻譜（頻域）及時(shí)域中預計的+/-33kHz偏差。

在圖3中，橙色條新的位置表示在數據包晚一點(diǎn)的時(shí)候獲得的頻譜。在相同的輸出功率下，更多的能量位于較低的調制頻率上，這與頻率隨時(shí)間變化曲線(xiàn)中符號包表示的數據一致?？梢允褂眠@一功能，查找RF輸出或調制中的任何畸變。MDO能夠提供電源、調制和RF頻譜的時(shí)間關(guān)聯(lián)，這種能力在單獨的示波器和標準頻譜分析儀中很難復現。還有一種選擇是打印輸出并將屏幕重疊在一起。這將保證兩臺儀器能夠一起觸發(fā)，雖然很難，但不是不可能。

圖3 – 頻譜位于數據包遲一些的地方，這時(shí)的符號能量主要來(lái)自FSK調制信號的較低頻率。

查看從微控制器發(fā)送到無(wú)線(xiàn)電的命令也有很大幫助。通過(guò)把數字探頭連接到SPI總線(xiàn)上，SPI總線(xiàn)連接無(wú)線(xiàn)電模塊，可以打開(kāi)SPI總線(xiàn)解碼，查看與數字數據對準的頻譜。

MDO設置成在屏幕中采集100萬(wàn)樣本點(diǎn)。盡管數字信號很快，但使用卷動(dòng)和縮放功能可以看到數據。圖4顯示了數據包發(fā)送前的解碼數據。發(fā)送的數據是0x01, 0x02, …0x08,在圖中可以看到解碼后的數據。在屏幕的時(shí)域部分底部，現在還可以看到數據的數字版本。

圖4 – 解碼后的數據和數字波形。

在這個(gè)畫(huà)面中，頻譜時(shí)間（Spectrum Time）現在包括從預觸發(fā)中采樣的數據及開(kāi)機行為，因為它包括用下降的功率電平顯示的RF信號為ON和OFF時(shí)的樣點(diǎn)。通過(guò)為命令選擇解碼行，而不是數據，可以用類(lèi)似方式解碼和檢查命令。

圖5使用卷動(dòng)和縮放功能，顯示了解碼后的命令讀寫(xiě)整體配置寄存器。SPI（MOSI）行的第一對字節讀取通用配置寄存器，在SPI（MISO）行中返回值30.第二對字節00 30在868MHz頻段中，把地址0上的通用配置寄存器設置成待機模式。

圖5 – 解碼后的命令和數字波形。

這種方法適合確認無(wú)線(xiàn)電集成電路是否得到正確設置 .另一種技術(shù)是觸發(fā)SPI命令。例如，可以使用儀器，觸發(fā)命令040B,設置發(fā)射機輸出的頻率偏差。SPI觸發(fā)將設置成觸發(fā)一個(gè)兩字節字符，第一個(gè)字節是命令?？梢栽贛RF89XA無(wú)線(xiàn)電集成電路產(chǎn)品技術(shù)資料的幫助下，解碼其余的命令。

如圖6所示，可以在一個(gè)畫(huà)面中評估SPI命令和RF事件之間的開(kāi)機時(shí)延。其實(shí)現方式為：使用SPI（MOSI）觸發(fā)條件，設置頻率偏差，改變水平時(shí)基（200μs/div），使用放大功能來(lái)測量SPI命令的影響。在通道4（綠色曲線(xiàn)）上測量吸收電流，頻率隨時(shí)間變化趨勢（橙色曲線(xiàn)）表明RF信號出現時(shí)間大約遲了700μs.