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使用混合域示波器查找無線嵌入式系統(tǒng)中的噪聲來源

作者:泰克供稿
來源:RFID世界網(wǎng)
日期:2011-10-17 16:38:47
摘要:在把無線電芯片或模塊集成到典型的嵌入式系統(tǒng)中時,設計人員必須面臨的一項常見任務是追蹤和消除噪聲和雜散信號。潛在的噪聲來源包括:開關電源、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,還應考慮無線電產(chǎn)生的任何可能的干擾,這是避免干擾其它無線電及滿足法規(guī)要求的一項重要考慮因素。

  在把無線電芯片或模塊集成到典型的嵌入式系統(tǒng)中時,設計人員必須面臨的一項常見任務是追蹤和消除噪聲和雜散信號。潛在的噪聲來源包括:開關電源、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,還應考慮無線電產(chǎn)生的任何可能的干擾,這是避免干擾其它無線電及滿足法規(guī)要求的一項重要考慮因素。

  查找噪聲來源一直不是一件輕松的事情。但是,新增的無線技術(shù)進一步提高了嵌入式系統(tǒng)的復雜程度,設計人員在跟蹤噪聲來源方面面臨著更大的障礙。我們必須面對這個現(xiàn)實,即無線技術(shù)無處不在。據(jù)估算,目前使用的無線設備已經(jīng)超過10億臺,30%的嵌入式設計現(xiàn)在包括無線功能,而且這一數(shù)字每天都在持續(xù)增長。

  在嵌入式系統(tǒng)中增加無線功能時,在集成中一般會遇到許多問題。對電池供電系統(tǒng),一般使用開關穩(wěn)壓器,以最低的成本實現(xiàn)最高的實用效率。電源輸出功率也經(jīng)常是一個問題。這要求使用高開關頻率,使輸出濾波的規(guī)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。為避免這種情況,可能需要額外的電源濾波,以避免無線電信號不想要的損傷,盡管這會導致不希望的成本或功率。

  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。如果設置和過濾不當,無線電可能會給其它無線電系統(tǒng)帶來干擾,或不能滿足相應的法規(guī)標準。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。

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

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

  在本文中,我們將考察使用一種稱為混合域示波器或MDO的新型儀器查找噪聲來源的技巧和技術(shù)。泰克最近推出了世界上第一臺MDO,本文中的實例就基于MDO4000系列。該示波器擁有獨特的功能,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,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?;旌嫌蚴静ㄆ髟诓檎以肼晛碓粗械闹饕獌r值,是它能夠在兩個域(時域和頻域)中進行時間相關測量。此外,它可以在多個模擬信號、數(shù)字信號和RF信號中進行這些測量。

  所謂時間相關,是指MDO能夠測量所有輸入之間的定時關系。例如,它可以測量控制信號與無線電傳輸之開始之間的時間,測量發(fā)送的無線電信號的上升時間,或測量無線數(shù)據(jù)流中的多個符號之間的時間。可以分析某種設備狀態(tài)變化期間的電源電壓暫降,并與對RF信號的影響相關。時間相關對了解整個系統(tǒng)操作或因果關系非常重要。

  時域信號是最好用幅度隨時間變化觀察的信號,這些信號在傳統(tǒng)上使用示波器測量。用幅度隨時間變化觀察信號有助于回答下面這些問題:"電源真的是DC嗎?""這個數(shù)字信號的建立時間是否充足?""我的RF信號打開了么?""目前正在通過這條有線總線傳送哪些信息?"時域信號不限于模擬輸入。觀看RF幅度、頻率和相位隨時間變化可以研究RF信號簡單的模擬調(diào)制特點、啟動特點和穩(wěn)定特點。

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

  應用實例:帶有開關電源、具有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無線電集成電路,其已經(jīng)集成到無線電測試模塊中,即Microchip Technologies MRF89XM8A.這個模塊采用MRF89XA集成電路無線電及濾波和天線匹配。為進行演示,這個模塊安裝在Microchip Explorer 16電路板上,與電腦一起使用,對無線電設置進行編程。

  為演示使用開關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Microchip MCP1640,其集成到MCP1640EV評測電路板上。這個轉(zhuǎn)換器以大約500 kHz頻率開關,這一頻率對開關穩(wěn)壓器十分常見。它可以提供無線電模塊所需的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電池單元為無線電供電,降低產(chǎn)品的電池尺寸。圖1是測試設置圖。

圖1.被測器件(Microchip Technologies MRF89XA 868 MHz無線電)與混合域示波器之間的測試連接。

  我們測量以868 MHz為中心的無線電頻譜,其擁有相當?shù)偷? kbps的FSK調(diào)制數(shù)據(jù)速率,以供參考。圖2顯示了參考頻譜。注意MDO同時顯示時域視圖和頻域視圖,所有信號都時間相關。

  畫面的下半部分顯示了RF信號的頻域視圖,在本例中是無線電發(fā)射機輸出,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(Spectrum Time)。

圖2. 觀察時域和頻域。

  由于時域畫面的水平量程獨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采集相關的實際時間周期非常重要。MDO系列示波器的獨特結(jié)構(gòu)可以以時間相關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3所示。

圖3. 使用干凈的實驗室電源顯示的多個數(shù)據(jù)包前置碼符號期間的占用功率測量。

  可以在采集數(shù)據(jù)中移動頻譜時間(Spectrum Time),考察RF頻譜怎樣隨時間變化。在圖3中,我們放置頻譜時間,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解析帶寬(RBW)要求的時間數(shù)量。它等于窗口整形因數(shù)除以RBW.默認的Kaiser Window的整形因數(shù)為2.23,在本例中,頻譜時間為2.23/220 Hz,約為10 ms.

  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。

  為簡便地看到無線電中的數(shù)據(jù)包傳輸,我們在時域視圖中增加了RF隨時間變化曲線。標有"A"的橙色曲線顯示了瞬時RF幅離隨時間變化。標有"f "的橙色曲線顯示了相對于畫面中心頻率的瞬時RF頻率隨時間變化。綠色曲線(通道4)顯示了到模塊的電流??梢钥吹剑娏鲝臄?shù)據(jù)包之間接近0上升到傳輸期間大約40 mA.黃色曲線(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驗室電源供電的模塊中獲得的,這在實際環(huán)境中很難實現(xiàn),但可以作用實用參考。圖4顯示了相同的RF信號,但使用升壓型開關電源為無線電模塊供電。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單元及相對較少的器件,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5 dB.噪聲已經(jīng)容易地顯現(xiàn)在電流波形和電壓波形中。額外的噪聲還會令從發(fā)射機收集這些數(shù)據(jù)所使用的接收機上的信號信噪比劣化,降低無線電系統(tǒng)的有效范圍。

圖4. 開關電源的頻譜和電源測量結(jié)果。

  可以使用商用EMI電流探頭測量來自電源的噪聲,電流探頭用來觀察來自圖5中開關裝置的噪聲。在本例中,開關裝置由電阻器和小型電容器提供載荷。MDO中的自動標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(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開關晶體管上的波形。我們使用測量功能顯示開關頻率,確認RF標記測量。

圖5. 到等效載荷的電源開關噪聲。

  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。部分噪聲可能會給無線電接收機的運行帶來很大干擾,需要認真評估。

圖6. 使用升壓轉(zhuǎn)換器的電源和電路板噪聲。

  數(shù)字電路板可能會產(chǎn)生噪聲,如圖7所示。可以使用一只單線探頭,查找噪聲來源、幅度和頻率。這里,在220 MHz范圍內(nèi)有明顯的噪聲。自動標記顯示868 MHz發(fā)送信號及不想要的信號的最高電電平。我們使用手動標記測量最高電平噪聲的頻率范圍。手動標記中顯示的測量數(shù)據(jù)還包括關心的信號的噪聲密度。了解這類噪聲功率可能會非常重要,因為視無線電接收機結(jié)構(gòu),接收機靈敏度可能受到各種頻率上的噪聲影響。

圖7. 在使用升壓轉(zhuǎn)換器時來自數(shù)字電路板的寬頻譜噪聲。

  無線電產(chǎn)生的噪聲在嵌入式系統(tǒng)中增加無線電系統(tǒng)時還有一個潛在問題,即無線電生成噪聲,會干擾系統(tǒng)的其它部分,或不能滿足無線電信號的法規(guī)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足法規(guī)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(cè)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(nèi)。

圖8.基礎信號周圍的信道外頻譜。

  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。在這個實例中,我們發(fā)現(xiàn),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,其通常是無線電系統(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)。

  可以直到六階諧波在這個頻段中進行測量。在這一頻率中,這一無線電幾乎沒有明顯輻射,低于-80 dBm.

圖9. 三階諧波上的頻譜。

  小結(jié)

  在嵌入式系統(tǒng)中包括無線通信技術(shù)時,要考察許多關鍵問題,包括電源開關噪聲的影響、正確設置無線電集成電路的工作參數(shù)、保證發(fā)射輸出滿足相應的無線電法規(guī)。

  MDO能夠查看時間相關的信號,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)送到無線電的數(shù)據(jù)命令,并能夠檢查來自發(fā)射機和其它電路的雜散輻射。它可以用來測量高達6 GHz的RF信號,另外還可以通過時間相關的采集,查看來自開關電源和數(shù)字電路的低頻噪聲。