消除射頻嵌入式系統(tǒng)中的噪聲和雜散

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(jiàn)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(kāi)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(xiàn)電設(shè)備及滿(mǎn)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(wèn)題。

對(duì)電池供電系統(tǒng)，一般使用開(kāi)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(wèn)題。這要求使用高開(kāi)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(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(hào)質(zhì)量。如果設(shè)置和過(guò)濾不當(dāng)，射頻輸出信號(hào)可能會(huì)給其它無(wú)線(xiàn)電系統(tǒng)帶來(lái)干擾，或不能滿(mǎn)足相應(yīng)的法規(guī)標(biāo)準(zhǔn)。某些無(wú)線(xiàn)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(mǎn)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(xiàn)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(kāi)關(guān)電源、支持無(wú)線(xiàn)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(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(duì)射頻參數(shù)設(shè)置進(jìn)行編程。

為演示使用開(kāi)關(guān)電源對(duì)無(wú)線(xiàn)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(kāi)關(guān)，這一頻率對(duì)開(kāi)關(guān)穩(wěn)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(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(xiàn)和 / 或并行總線(xiàn)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(huà)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(huà)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(chēng)為頻譜時(shí)間(Spectrum Time)。

由于時(shí)域畫(huà)面的水平量程獨(dú)立于處理時(shí)域畫(huà)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(kāi)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(huà)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(guò) 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(huà)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(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(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(xiàn)。標(biāo)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(biāo)有“f”的橙色曲線(xiàn)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。可以看到，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(kāi)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(kāi)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(kāi)關(guān)噪聲。