查找射頻嵌入式系統中的噪聲來(lái)源

在把射頻芯片或模塊集成到典型的嵌入式系統中時(shí)，設計人員必須面臨的一項常見(jiàn)任務(wù)是追蹤和消除噪聲和雜散信號。潛在的噪聲來(lái)源包括：開(kāi)關(guān)電源、來(lái)自系統其它部分的數字噪聲、以及外部噪聲來(lái)源。在考慮噪聲時(shí)，還應考慮射頻電路產(chǎn)生的任何可能的干擾，這是避免干擾其它無(wú)線(xiàn)電設備及滿(mǎn)足法規要求的一項重要考慮因素。在本應用指南中，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 射頻測試電路板模塊。

把射頻通信功能集成到嵌入式系統中

在嵌入式系統中增加射頻功能時(shí)，在集成中一般會(huì )遇到許多問(wèn)題。

對電池供電系統，一般使用開(kāi)關(guān)穩壓器，以最低的成本實(shí)現最高的實(shí)用效率。電源尺寸也經(jīng)常是一個(gè)問(wèn)題。這要求使用高開(kāi)關(guān)頻率，使輸出濾波的規格和要求達到最小。這些電源在輸出電壓上通常有紋波，這些波紋可能會(huì )出現在RF發(fā)射機輸出上，特別是在搞工作負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受到影響，盡管這會(huì )導致增加成本或尺寸。

無(wú)線(xiàn)電芯片或模塊的硬件電路和軟件配置可能會(huì )影響發(fā)送的信號質(zhì)量。如果設置和過(guò)濾不當，射頻輸出信號可能會(huì )給其它無(wú)線(xiàn)電系統帶來(lái)干擾，或不能滿(mǎn)足相應的法規標準。某些無(wú)線(xiàn)電系統需要信道濾波器、RF表面聲波和其它成本相對較高的濾波器，以滿(mǎn)足信道外和帶外輻射的法規要求。

圖2. 被測器件(Microchip Technologies MRF89XA 868 MHz無(wú)線(xiàn)電)與MDO4000系列混合域示波器之間的測試連接。

應用實(shí)例：帶有開(kāi)關(guān)電源、支持無(wú)線(xiàn)功能的嵌入式系統

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MicrochipTechnologies MRF89XM8A。這個(gè)模塊采用 MRF89XA集成電路及濾波和天線(xiàn)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，對射頻參數設置進(jìn)行編程。

為演示使用開(kāi)關(guān)電源對無(wú)線(xiàn)電供電的影響，我們使用升壓轉換器集成電路Microchip MCP1640，其集成到MCP1640EV評測電路板上。這個(gè)轉換器以大約500 kHz頻率開(kāi)關(guān)，這一頻率對開(kāi)關(guān)穩壓器十分常見(jiàn)。它可以提供無(wú)線(xiàn)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(zhù)可以從一個(gè)電池單元為無(wú)線(xiàn)電供電，降低產(chǎn)品的電池尺寸。

為調試這個(gè)器件，我們使用泰克MDO4000系列混合域示波器。MDO4000 系列擁有獨特的功能，可以同時(shí)顯示 4個(gè)模擬信號、16 個(gè)數字波形、最多 4 條解碼的串行總線(xiàn)和 / 或并行總線(xiàn)及 1 個(gè) RF 信號。所有這些信號都時(shí)間相關(guān)，顯示控制信號對模擬域和 RF 域的影響。圖 2 說(shuō)明了下述測試使用的設置。

圖 3. 查看時(shí)域和頻域。

識別噪聲來(lái)源

我們測量以868 MHz為中心的射頻頻譜，其擁有相當低的 2 kbps的 FSK調制數據速率，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，所有信號都時(shí)間相關(guān)。

畫(huà)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)射機輸出，畫(huà)面的上半部分是時(shí)域的傳統示波器視圖。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(chēng)為頻譜時(shí)間(Spectrum Time)。

由于時(shí)域畫(huà)面的水平量程獨立于處理時(shí)域畫(huà)面傅立葉變換(FFT)要求的時(shí)間數量，表示與RF采集相關(guān)的實(shí)際時(shí)間周期非常重要。MDO4000系列示波器的獨特結構可以以時(shí)間相關(guān)的方式分開(kāi)采集所有輸入(數字信號、模擬信號和RF信號)。每個(gè)輸入有單獨的存儲器，視時(shí)域畫(huà)面的水平采集時(shí)間，存儲器中采集的 RF 信號支持頻譜時(shí)間，并可以在模擬時(shí)間內部移動(dòng)，如圖 4 所示。

圖 4. 使用干凈的實(shí)驗源，在數據前碼多個(gè)符期間的占用功率測結果。

通過(guò) MDO4000 系列，可以在采集數據中移動(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，我們調整頻譜時(shí)間的位置，顯示數據包前置碼多個(gè)符號期間發(fā)送的信號的頻譜。

頻譜時(shí)間是支持頻譜畫(huà)面希望的分辨率帶寬(RBW)要求的時(shí)間數量。它等于窗口因數除以 RBW。默認的 KaiserWindow的整形因數為2.23，在本例中，頻譜時(shí)間為2.23/220 Hz，約為 10 ms。

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

圖 5. 數據包數據期間的頻譜。頻率隨時(shí)間變化曲線(xiàn)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(xiàn)電中的數據包傳輸，我們在MDO4000系列的時(shí)域視圖中增加了RF隨時(shí)間變化曲線(xiàn)。標有“A”的橙色曲線(xiàn)顯示了瞬時(shí) RF 的幅度隨時(shí)間的變化。標有“f”的橙色曲線(xiàn)顯示了相對于中心頻率的瞬時(shí)RF信號的頻率隨時(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?，電流從數據包之間接近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 顯示了在數據包數據部分獲得的同一信號。注意大多數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)驗室電源供電的模塊中獲得的。

圖 6. 開(kāi)關(guān)電源的頻譜和電源測量結果。

圖6顯示了相同的RF信號，但使用升壓型開(kāi)關(guān)電源為射頻模塊供電。升壓穩壓器因產(chǎn)生噪聲而臭名昭著(zhù)，但它允許使用一個(gè)或兩個(gè)堿性或鎳鎘電池及相對較少的器件，降低了成本。注意被調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)清晰地顯現在電流波形和電壓波形中。額外的噪聲還會(huì )令從發(fā)射機到接收機上的信號信噪比變差，降低射頻系統的有效工作范圍。

圖 7. 到等效載荷的電源開(kāi)關(guān)噪聲。

可以使用商用 EMI 電流探頭測量來(lái)自電源的噪聲，電流探頭用來(lái)觀(guān)察來(lái)自圖7中開(kāi)關(guān)裝置的噪聲。在本例中，開(kāi)關(guān)裝置由電阻器和小型電容器做模擬負載。

MDO4000系列的自動(dòng)標記功能用來(lái)顯示電源發(fā)出的最明顯的七個(gè)信號的頻率和幅度。MDO4000系列可以提供最多11個(gè)自動(dòng)標記，用絕對值顯示結果，或作為相對值顯示參考最大信號的結果。最高值一直表示為紅色參考(Red Reference)標記。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(kāi)關(guān)晶體管上的波形。我們使用測量功能顯示開(kāi)關(guān)電源的開(kāi)關(guān)頻率為508 KHz左右，確認與RF頻譜中的基波頻率一致。

圖 8. 使用升壓轉換器的電源和電路板噪聲。

在電源驅動(dòng)RF電路板時(shí)，噪聲功率的時(shí)域畫(huà)面和頻域畫(huà)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(huì )給接收機的運行帶來(lái)很大干擾，需要認真評估。數字電路板可能會(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?xún)?yōu)異的捕獲帶寬，在一個(gè)采集中覆蓋多個(gè)頻率。

圖 9. 在使用升壓轉換器時(shí)來(lái)自數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 范圍內明顯的噪聲。自動(dòng)標記顯示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(dòng)標記測量最高電平噪聲的頻率范圍。手動(dòng)標記中顯示的測量數據還包括關(guān)心的信號的噪聲密度。了解這類(lèi)噪聲功率可能會(huì )非常重要，因為視接收機結構，接收機靈敏度可能受到各種頻率上的噪聲影響。

圖 10. 基波信號周?chē)男诺劳忸l譜。

射頻電路產(chǎn)生的噪聲

在嵌入式系統中增加射頻電路時(shí)還有一個(gè)潛在問(wèn)題，即射頻模塊生成噪聲，會(huì )干擾系統的其它部分，或不能滿(mǎn)足無(wú)線(xiàn)電管理法規的規定。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(mǎn)足法規要求。

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 500 kHz 左右的部分雜散信號，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。

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諧波略微下降了不到 40 dB，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，其通常是射頻系統中最麻煩的部分。但是，在這個(gè)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。標記峰值顯示信號低于 -80 dBm。

MDO4000系列可以在這一頻段中進(jìn)行直到六次諧波的測量。在這一頻率中，這一射頻信號幾乎沒(méi)有明顯輻射，低于 -80 dBm (注意兩個(gè)標記上的值)。

小結

在嵌入式系統中包括無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)時(shí)，要考察許多關(guān)鍵問(wèn)題，包括電源開(kāi)關(guān)噪聲的影響、正確設置射頻集成電路的工作參數、保證發(fā)射輸出滿(mǎn)足相應的無(wú)線(xiàn)電法規。泰克 MDO4000 混合域示波器系列可以診斷和測試電源和其它噪聲影響。它能夠確認正確設置發(fā)送到無(wú)線(xiàn)電的數據命令，并能夠檢查來(lái)自發(fā)射機和其它電路的雜散輻射。它可以用來(lái)測量高達 6 GHz 的 RF 信號，另外還可以通過(guò)時(shí)間相關(guān)的采集，查看來(lái)自開(kāi)關(guān)電源和數字電路的低頻噪聲。