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(shè)計人員必須面臨的一項常見任務(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(jìn)一步提高了嵌入式系統(tǒng)的復(fù)雜程度，設(shè)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(shè)備已經(jīng)超過10億臺,，30%的嵌入式設(shè)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(guān)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(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。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(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)計人員首選的工具,，示波器是單純?yōu)檫M(jìn)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(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(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源中的主要價值,，是它能夠在兩個域(時域和頻域)中進(jìn)行時間相關(guān)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(jìn)行這些測量。
所謂時間相關(guān),，是指MDO能夠測量所有輸入之間的定時關(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?？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)。時間相關(guān)對了解整個系統(tǒng)操作或因果關(guān)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(dǎo)致設(shè)備問題,？”“這個頻段中是否存在任何信號？”
應(yīng)用實例：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,。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。
我們測量以868 MHz為中心的無線電頻譜,，其擁有相當(dāng)?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(guān),。
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(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),。
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(guān)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(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(rèn)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(biāo)有“A”的橙色曲線顯示了瞬時RF幅離隨時間變化。標(biāo)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,。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(guān)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(jī)收集這些數(shù)據(jù)所使用的接收機(jī)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(guān)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(guān)裝置的噪聲,。在本例中，開關(guān)裝置由電阻器和小型電容器提供載荷,。MDO中的自動標(biāo)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(biāo)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(biāo)記。注意基礎(chǔ)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(guān)晶體管上的波形。我們使用測量功能顯示開關(guān)頻率,，確認(rèn)RF標(biāo)記測量,。
圖5. 到等效載荷的電源開關(guān)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(jī)的運(yùn)行帶來很大干擾,，需要認(rèn)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?？梢允褂靡恢粏尉€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(biāo)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(biāo)記測量最高電平噪聲的頻率范圍,。手動標(biāo)記中顯示的測量數(shù)據(jù)還包括關(guān)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(jī)結(jié)構(gòu),，接收機(jī)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(chǔ)頻率任一側(cè)500 kHz左右的部分雜散信號,，但它們比基礎(chǔ)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(chǔ)信號周圍的信道外頻譜,。
下一步是使用與圖8中基礎(chǔ)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(chǔ)諧波略微下降了不到40 dB，占用帶寬是基礎(chǔ)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(jìn)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(guān)鍵問題,，包括電源開關(guān)噪聲的影響,、正確設(shè)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(yīng)的無線電法規(guī),。
MDO能夠查看時間相關(guān)的信號,，幫助設(shè)計人員高效診斷和測試電源和其它噪聲影響。它能夠確認(rèn)正確設(shè)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(jī)和其它電路的雜散輻射,。它可以用來測量高達(dá)6 GHz的RF信號，另外還可以通過時間相關(guān)的采集,，查看來自開關(guān)電源和數(shù)字電路的低頻噪聲,。
希望了解更多，請登錄http://www.tek.com/zh/scoperevolution/index53.html,，觀看“查找無線嵌入式系統(tǒng)的噪聲來源”在線研討會,。