使用混合域示波器查找無線嵌入式系統(tǒng)中的噪聲來源

　　在把無線電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)常見任務(wù)是追蹤和消除噪聲和雜散信號。潛在的噪聲來源包括：開關(guān)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(shí)，還應(yīng)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(xiàng)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(jìn)一步提高了嵌入式系統(tǒng)的復(fù)雜程度，設(shè)計(jì)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(gè)現(xiàn)實(shí)，即無線技術(shù)無處不在。據(jù)估算，目前使用的無線設(shè)備已經(jīng)超過10億臺，30%的嵌入式設(shè)計(jì)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(shí)，在集成中一般會(huì)遇到許多問題。對電池供電系統(tǒng)，一般使用開關(guān)穩(wěn)壓器，以最低的成本實(shí)現(xiàn)最高的實(shí)用效率。電源輸出功率也經(jīng)常是一個(gè)問題。這要求使用高開關(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，其可能會(huì)顯示在RF發(fā)射機(jī)輸出上，特別是在負(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，以避免無線電信號不想要的損傷，盡管這會(huì)導(dǎo)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(huì)影響發(fā)送的信號質(zhì)量。如果設(shè)置和過濾不當(dāng)，無線電可能會(huì)給其它無線電系統(tǒng)帶來干擾，或不能滿足相應(yīng)的法規(guī)標(biāo)準(zhǔn)。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(shè)計(jì)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(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(shí)域和頻域中的事件充分關(guān)聯(lián)起來，而這對查找系統(tǒng)級問題至關(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(shù)嵌入式設(shè)計(jì)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(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(shí)例就基于MDO4000系列。該示波器擁有獨(dú)特的功能，可以同時(shí)顯示4個(gè)模擬信號、16個(gè)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(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?；旌嫌蚴静ㄆ髟诓檎以肼晛碓粗械闹饕獌r(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(shù)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線電傳輸之開始之間的時(shí)間，測量發(fā)送的無線電信號的上升時(shí)間，或測量無線數(shù)據(jù)流中的多個(gè)符號之間的時(shí)間?？梢苑治瞿撤N設(shè)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(tǒng)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(shí)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(gè)數(shù)字信號的建立時(shí)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(shí)域信號不限于模擬輸入。觀看RF幅度、頻率和相位隨時(shí)間變化可以研究RF信號簡單的模擬調(diào)制特點(diǎn)、啟動(dòng)特點(diǎn)和穩(wěn)定特點(diǎn)。

　　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(gè)RF信號是否位于分配的頻譜范圍內(nèi)?”“這個(gè)信號上的諧波失真是否會(huì)導(dǎo)致設(shè)備問題?”“這個(gè)頻段中是否存在任何信號?”

　　應(yīng)用實(shí)例：帶有開關(guān)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(gè)模塊采用MRF89XA集成電路無線電及濾波和天線匹配。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，對無線電設(shè)置進(jìn)行編程。

　　為演示使用開關(guān)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(gè)轉(zhuǎn)換器以大約500 kHz頻率開關(guān)，這一頻率對開關(guān)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(gè)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(shè)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。