消除射頻嵌入式系統(tǒng)中的噪聲和雜散信號

在把射頻芯片或模塊集成到典型的嵌入式系統(tǒng)中時，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，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線電設(shè)備及滿足法規(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(tǒng)中

在嵌入式系統(tǒng)中增加射頻功能時，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(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，這些波紋可能會出現(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。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，盡管這會導(dǎo)致增加成本或尺寸。

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(shè)置和過濾不當(dāng)，射頻輸出信號可能會給其它無線電系統(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。

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

應(yīng)用實(shí)例：帶有開關(guān)電源、支持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。這個模塊采用 MRF89XA集成電路及濾波和天線匹配。為進(jìn)行演示，這個模塊安裝在Microchip Explorer 16電路板上，與電腦一起使用，對射頻參數(shù)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電池單元為無線電供電，降低產(chǎn)品的電池尺寸。

為調(diào)試這個器件，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(guān)，顯示控制信號對模擬域和 RF 域的影響。圖 2 說明了下述測試使用的設(shè)置。

圖 3. 查看時域和頻域。

識別噪聲來源

我們測量以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 系列同時顯示時域視圖和頻域視圖，所有信號都時間相關(guān)。

畫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(jī)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)。

由于時域畫面的水平量程獨(dú)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(guān)的實(shí)際時間周期非常重要。MDO4000系列示波器的獨(dú)特結(jié)構(gòu)可以以時間相關(guān)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(dú)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 4 所示。

圖 4. 使用干凈的實(shí)驗(yàn)源，在數(shù)據(jù)前碼多個符期間的占用功率測結(jié)果。

通過 MDO4000 系列，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4中，我們調(diào)整頻譜時間的位置，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分辨率帶寬(RBW)要求的時間數(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。

圖 5. 數(shù)據(jù)包數(shù)據(jù)期間的頻譜。頻率隨時間變化曲線顯示了采集的頻譜時間主要以較低頻率 Tx ON 時間為主。

為簡便地看到無線電中的數(shù)據(jù)包傳輸，我們在MDO4000系列的時域視圖中增加了RF隨時間變化曲線。標(biāo)有“A”的橙色曲線顯示了瞬時 RF 的幅度隨時間的變化。標(biāo)有“f”的橙色曲線顯示了相對于中心頻率的瞬時RF信號的頻率隨時間變化。

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。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. 開關(guān)電源的頻譜和電源測量結(jié)果。

圖6顯示了相同的RF信號，但使用升壓型開關(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，但它允許使用一個或兩個堿性或鎳鎘電池及相對較少的器件，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)清晰地顯現(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(jī)到接收機(jī)上的信號信噪比變差，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關(guān)噪聲。