用混合域示波器來(lái)偵察無(wú)線(xiàn)嵌入式系統中的噪聲來(lái)源

在把無(wú)線(xiàn)電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)，還應考慮無(wú)線(xiàn)電產(chǎn)生的任何可能的干擾，這是避免干擾其它無(wú)線(xiàn)電及滿(mǎn)足法規要求的一項重要考慮因素。

查找噪聲來(lái)源一直不是一件輕松的事情。但是，新增的無(wú)線(xiàn)技術(shù)進(jìn)一步提高了嵌入式系統的復雜程度，設計人員在跟蹤噪聲來(lái)源方面面臨著(zhù)更大的障礙。我們必須面對這個(gè)現實(shí)，即無(wú)線(xiàn)技術(shù)無(wú)處不在。據估算，目前使用的無(wú)線(xiàn)設備已經(jīng)超過(guò)10億臺，30%的嵌入式設計現在包括無(wú)線(xiàn)功能，而且這一數字每天都在持續增長(cháng)。

在嵌入式系統中增加無(wú)線(xiàn)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。電源輸出功率也經(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，其可能會(huì )顯示在RF發(fā)射機輸出上，特別是在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，以避免無(wú)線(xiàn)電信號不想要的損傷，盡管這會(huì )導致不希望的成本或功率。

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，無(wú)線(xiàn)電可能會(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。

作為嵌入式設計人員首選的工具，示波器是單純?yōu)檫M(jìn)行時(shí)域測量而優(yōu)化的。MSO (混合信號示波器)可以同時(shí)測量模擬信號和數字信號，但使用示波器很難在RF載波上有效測量RF信號。另外很難把時(shí)域和頻域中的事件充分關(guān)聯(lián)起來(lái)，而這對查找系統級問(wèn)題至關(guān)重要。

盡管頻譜分析儀可以在頻域中進(jìn)行測量，但對大多數嵌入式設計人員來(lái)說(shuō)，頻譜分析儀并不是首選的工具。使用頻譜分析儀在系統其余地方進(jìn)行時(shí)間相關(guān)測量幾乎是不可能的。

在本文中，我們將考察使用一種稱(chēng)為混合域示波器或MDO的新型儀器查找噪聲來(lái)源的技巧和技術(shù)。泰克最近推出了世界上第一臺MDO，本文中的實(shí)例就基于MDO4000系列。該示波器擁有獨特的功能，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。

在深入了解使用MDO的操作實(shí)例之前，我們首先回顧一下這一示波器背后的部分主要概念。混合域示波器在查找噪聲來(lái)源中的主要價(jià)值，是它能夠在兩個(gè)域(時(shí)域和頻域)中進(jìn)行時(shí)間相關(guān)測量。此外，它可以在多個(gè)模擬信號、數字信號和RF信號中進(jìn)行這些測量。

所謂時(shí)間相關(guān)，是指MDO能夠測量所有輸入之間的定時(shí)關(guān)系。例如，它可以測量控制信號與無(wú)線(xiàn)電傳輸之開(kāi)始之間的時(shí)間，測量發(fā)送的無(wú)線(xiàn)電信號的上升時(shí)間，或測量無(wú)線(xiàn)數據流中的多個(gè)符號之間的時(shí)間?？梢苑治瞿撤N設備狀態(tài)變化期間的電源電壓暫降，并與對RF信號的影響相關(guān)。時(shí)間相關(guān)對了解整個(gè)系統操作或因果關(guān)系非常重要。

時(shí)域信號是最好用幅度隨時(shí)間變化觀(guān)察的信號，這些信號在傳統上使用示波器測量。用幅度隨時(shí)間變化觀(guān)察信號有助于回答下面這些問(wèn)題：“電源真的是DC嗎？”“這個(gè)數字信號的建立時(shí)間是否充足？”“我的RF信號打開(kāi)了么？”“目前正在通過(guò)這條有線(xiàn)總線(xiàn)傳送哪些信息？”時(shí)域信號不限于模擬輸入。觀(guān)看RF幅度、頻率和相位隨時(shí)間變化可以研究RF信號簡(jiǎn)單的模擬調制特點(diǎn)、啟動(dòng)特點(diǎn)和穩定特點(diǎn)。

頻域信號則是最好用幅度隨頻率變化觀(guān)察的信號，這些信號在傳統上使用頻譜分析儀測量。用幅度隨頻率變化觀(guān)察信號有助于回答下面這些問(wèn)題：“發(fā)送的這個(gè)RF信號是否位于分配的頻譜范圍內？”“這個(gè)信號上的諧波失真是否會(huì )導致設備問(wèn)題？”“這個(gè)頻段中是否存在任何信號？”

應用實(shí)例：帶有開(kāi)關(guān)電源、具有無(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無(wú)線(xiàn)電集成電路，其已經(jīng)集成到無(wú)線(xiàn)電測試模塊中，即Microchip Technologies MRF89XM8A。這個(gè)模塊采用MRF89XA集成電路無(wú)線(xiàn)電及濾波和天線(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，對無(wú)線(xiàn)電設置進(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。圖1是測試設置圖。

我們測量以868 MHz為中心的無(wú)線(xiàn)電頻譜，其擁有相當低的2 kbps的FSK調制數據速率，以供參考。圖2顯示了參考頻譜。注意MDO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，在本例中是無(wú)線(xiàn)電發(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。MDO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3所示。

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3中，我們放置頻譜時(shí)間，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)面希望的解析帶寬(RBW)要求的時(shí)間數量。它等于窗口整形因數除以RBW。默認的Kaiser Window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。

為簡(jiǎn)便地看到無(wú)線(xiàn)電中的數據包傳輸，我們在時(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幅離隨時(shí)間變化。標有“f ”的橙色曲線(xiàn)顯示了相對于畫(huà)面中心頻率的瞬時(shí)RF頻率隨時(shí)間變化。綠色曲線(xiàn)(通道4)顯示了到模塊的電流?？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 色曲線(xiàn)(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。

上圖是在使用干凈的實(shí)驗室電源供電的模塊中獲得的，這在實(shí)際環(huán)境中很難實(shí)現，但可以作用實(shí)用參考。圖4顯示了相同的RF信號，但使用升壓型開(kāi)關(guān)電源為無(wú)線(xiàn)電模塊供電。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)堿性或鎳鎘單元及相對較少的器件，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)容易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)射機收集這些數據所使用的接收機上的信號信噪比劣化，降低無(wú)線(xiàn)電系統的有效范圍。

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5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提供載荷。MDO中的自動(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。注意基礎頻率和二階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)頻率，確認RF標記測量。

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6顯示了相同的電源噪聲及額外的信號。注意二階諧波下降，但有許多其它低電平噪聲。部分噪聲可能會(huì )給無(wú)線(xiàn)電接收機的運行帶來(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7所示?？梢允褂靡恢粏尉€(xiàn)探頭，查找噪聲來(lái)源、幅度和頻率。這里，在220 MHz范圍內有明顯的噪聲。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，因為視無(wú)線(xiàn)電接收機結構，接收機靈敏度可能受到各種頻率上的噪聲影響。

無(wú)線(xiàn)電產(chǎn)生的噪聲

在嵌入式系統中增加無(wú)線(xiàn)電系統時(shí)還有一個(gè)潛在問(wèn)題，即無(wú)線(xiàn)電生成噪聲，會(huì )干擾系統的其它部分，或不能滿(mǎn)足無(wú)線(xiàn)電信號的法規限制。占用帶寬和總發(fā)送功率等測量還有助于評估是否滿(mǎn)足法規要求。

圖8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。它顯示了基礎頻率任一側500 kHz左右的部分雜散信號，但它們比基礎頻率低約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。

下一步是使用與圖8中基礎頻率相同的測量查看二階諧波。在這個(gè)實(shí)例中，我們發(fā)現，二階諧波上的功率電平較基礎諧波略微下降了不到40 dB，占用帶寬是基礎諧波頻譜帶寬的兩倍。圖9顯示了三階諧波，其通常是無(wú)線(xiàn)電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)。

可以直到六階諧波在這個(gè)頻段中進(jìn)行測量。在這一頻率中，這一無(wú)線(xiàn)電幾乎沒(méi)有明顯輻射，低于-80 dBm。

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、正確設置無(wú)線(xiàn)電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。

MDO能夠查看時(shí)間相關(guān)的信號，幫助設計人員高效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。