使用混合域示波器查找無(wú)線嵌入式系統(tǒng)中的噪聲來(lái)源

在把無(wú)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(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)考慮無(wú)線電產(chǎn)生的任何可能的干擾，這是避免干擾其它無(wú)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(lái)源一直不是一件輕松的事情。但是，新增的無(wú)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(lái)源方面面臨著更大的障礙。我們必須面對(duì)這個(gè)現(xiàn)實(shí)，即無(wú)線技術(shù)無(wú)處不在。據(jù)估算，目前使用的無(wú)線設(shè)備已經(jīng)超過(guò)10億臺(tái)，30%的嵌入式設(shè)計(jì)現(xiàn)在包括無(wú)線功能，而且這一數(shù)字每天都在持續(xù)增長(zhǎng)。

在嵌入式系統(tǒng)中增加無(wú)線功能時(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。電源輸出功率也經(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，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(wú)線電信號(hào)不想要的損傷，盡管這會(huì)導(dǎo)致不希望的成本或功率。

無(wú)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(hào)質(zhì)量。如果設(shè)置和過(guò)濾不當(dāng)，無(wú)線電可能會(huì)給其它無(wú)線電系統(tǒng)帶來(lái)干擾，或不能滿足相應(yīng)的法規(guī)標(biāo)準(zhǔn)。某些無(wú)線電系統(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(cè)量而優(yōu)化的。MSO (混合信號(hào)示波器)可以同時(shí)測(cè)量模擬信號(hào)和數(shù)字信號(hào)，但使用示波器很難在RF載波上有效測(cè)量RF信號(hào)。另外很難把時(shí)域和頻域中的事件充分關(guān)聯(lián)起來(lái)，而這對(duì)查找系統(tǒng)級(jí)問(wèn)題至關(guān)重要。

盡管頻譜分析儀可以在頻域中進(jìn)行測(cè)量，但對(duì)大多數(shù)嵌入式設(shè)計(jì)人員來(lái)說(shuō)，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(cè)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(lái)源的技巧和技術(shù)。泰克最近推出了世界上第一臺(tái)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(hào)、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(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。

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?lái)源中的主要價(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(cè)量。此外，它可以在多個(gè)模擬信號(hào)、數(shù)字信號(hào)和RF信號(hào)中進(jìn)行這些測(cè)量。

所謂時(shí)間相關(guān)，是指MDO能夠測(cè)量所有輸入之間的定時(shí)關(guān)系。例如，它可以測(cè)量控制信號(hào)與無(wú)線電傳輸之開(kāi)始之間的時(shí)間，測(cè)量發(fā)送的無(wú)線電信號(hào)的上升時(shí)間，或測(cè)量無(wú)線數(shù)據(jù)流中的多個(gè)符號(hào)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(duì)RF信號(hào)的影響相關(guān)。時(shí)間相關(guān)對(duì)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(hào)是最好用幅度隨時(shí)間變化觀察的信號(hào)，這些信號(hào)在傳統(tǒng)上使用示波器測(cè)量。用幅度隨時(shí)間變化觀察信號(hào)有助于回答下面這些問(wèn)題：“電源真的是DC嗎？”“這個(gè)數(shù)字信號(hào)的建立時(shí)間是否充足？”“我的RF信號(hào)打開(kāi)了么？”“目前正在通過(guò)這條有線總線傳送哪些信息？”時(shí)域信號(hào)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(hào)簡(jiǎn)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(hào)則是最好用幅度隨頻率變化觀察的信號(hào)，這些信號(hào)在傳統(tǒng)上使用頻譜分析儀測(cè)量。用幅度隨頻率變化觀察信號(hào)有助于回答下面這些問(wèn)題：“發(fā)送的這個(gè)RF信號(hào)是否位于分配的頻譜范圍內(nèi)？”“這個(gè)信號(hào)上的諧波失真是否會(huì)導(dǎo)致設(shè)備問(wèn)題？”“這個(gè)頻段中是否存在任何信號(hào)？”

應(yīng)用實(shí)例：帶有開(kāi)關(guān)電源、具有無(wú)線功能的嵌入式系統(tǒng)

在下面的討論中，被測(cè)器件將使用一塊靈活的無(wú)線電集成電路，其已經(jīng)集成到無(wú)線電測(cè)試模塊中，即Microchip Technologies MRF89XM8A。這個(gè)模塊采用MRF89XA集成電路無(wú)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(duì)無(wú)線電設(shè)置進(jìn)行編程。

為演示使用開(kāi)關(guān)電源對(duì)無(wú)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(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)線電供電，降低產(chǎn)品的電池尺寸。圖1是測(cè)試設(shè)置圖。

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

我們測(cè)量以868 MHz為中心的無(wú)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(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，在本例中是無(wú)線電發(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，稱為頻譜時(shí)間(Spectrum Time)。

圖2. 觀察時(shí)域和頻域。

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。MDO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3所示。
 

圖3. 使用干凈的實(shí)驗(yàn)室電源顯示的多個(gè)數(shù)據(jù)包前置碼符號(hào)期間的占用功率測(cè)量。

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3中，我們放置頻譜時(shí)間，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)面希望的解析帶寬(RBW)要求的時(shí)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(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。

為簡(jiǎn)便地看到無(wú)線電中的數(shù)據(jù)包傳輸，我們?cè)跁r(shí)域視圖中增加了RF隨時(shí)間變化曲線。標(biāo)有“A”的橙色曲線顯示了瞬時(shí)RF幅離隨時(shí)間變化。標(biāo)有“f ”的橙色曲線顯示了相對(duì)于畫(huà)面中心頻率的瞬時(shí)RF頻率隨時(shí)間變化。綠色曲線(通道4)顯示了到模塊的電流?？梢钥吹?，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(shí)驗(yàn)室電源供電的模塊中獲得的，這在實(shí)際環(huán)境中很難實(shí)現(xiàn)，但可以作用實(shí)用參考。圖4顯示了相同的RF信號(hào)，但使用升壓型開(kāi)關(guān)電源為無(wú)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(gè)或兩個(gè)堿性或鎳鎘單元及相對(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)容易地顯現(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)收集這些數(shù)據(jù)所使用的接收機(jī)上的信號(hào)信噪比劣化，降低無(wú)線電系統(tǒng)的有效范圍。

圖4. 開(kāi)關(guān)電源的頻譜和電源測(cè)量結(jié)果。

可以使用商用EMI電流探頭測(cè)量來(lái)自電源的噪聲，電流探頭用來(lái)觀察來(lái)自圖5中開(kāi)關(guān)裝置的噪聲。在本例中，開(kāi)關(guān)裝置由電阻器和小型電容器提供載荷。MDO中的自動(dòng)標(biāo)記功能用來(lái)顯示電源發(fā)出的最明顯的七個(gè)信號(hào)的頻率和幅度。MDO4000系列可以提供最多11個(gè)自動(dòng)標(biāo)記，用絕對(duì)值顯示結(jié)果，或作為相對(duì)值顯示參考最大信號(hào)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(kāi)關(guān)晶體管上的波形。我們使用測(cè)量功能顯示開(kāi)關(guān)頻率，確認(rèn)RF標(biāo)記測(cè)量。

圖5. 到等效載荷的電源開(kāi)關(guān)噪聲。

在電源驅(qū)動(dòng)RF電路板時(shí)，噪聲功率的時(shí)域畫(huà)面和頻域畫(huà)面變化。圖6顯示了相同的電源噪聲及額外的信號(hào)。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(huì)給無(wú)線電接收機(jī)的運(yùn)行帶來(lái)很大干擾，需要認(rèn)真評(píng)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(huì)產(chǎn)生噪聲，如圖7所示?？梢允褂靡恢粏尉€探頭，查找噪聲來(lái)源、幅度和頻率。這里，在220 MHz范圍內(nèi)有明顯的噪聲。自動(dòng)標(biāo)記顯示868 MHz發(fā)送信號(hào)及不想要的信號(hào)的最高電電平。我們使用手動(dòng)標(biāo)記測(cè)量最高電平噪聲的頻率范圍。手動(dòng)標(biāo)記中顯示的測(cè)量數(shù)據(jù)還包括關(guān)心的信號(hào)的噪聲密度。了解這類噪聲功率可能會(huì)非常重要，因?yàn)橐暉o(wú)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(shí)來(lái)自數(shù)字電路板的寬頻譜噪聲。

無(wú)線電產(chǎn)生的噪聲
在嵌入式系統(tǒng)中增加無(wú)線電系統(tǒng)時(shí)還有一個(gè)潛在問(wèn)題，即無(wú)線電生成噪聲，會(huì)干擾系統(tǒng)的其它部分，或不能滿足無(wú)線電信號(hào)的法規(guī)限制。占用帶寬和總發(fā)送功率等測(cè)量還有助于評(píng)估是否滿足法規(guī)要求。

圖8顯示了想要的信號(hào)的頻譜以及相鄰頻率中的雜散信號(hào)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(hào)，但它們比基礎(chǔ)頻率低約40 dB，整體上是可以接受的。這個(gè)圖還顯示測(cè)得的信號(hào)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(hào)周?chē)男诺劳忸l譜。

下一步是使用與圖8中基礎(chǔ)頻率相同的測(cè)量查看二階諧波。在這個(gè)實(shí)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(wú)線電系統(tǒng)中最麻煩的部分。但是，在這個(gè)頻率上，信號(hào)的噪聲功率相對(duì)于載波非常低(~ -60dBc)。

可以直到六階諧波在這個(gè)頻段中進(jìn)行測(cè)量。在這一頻率中，這一無(wú)線電幾乎沒(méi)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(wú)線通信技術(shù)時(shí)，要考察許多關(guān)鍵問(wèn)題，包括電源開(kāi)關(guān)噪聲的影響、正確設(shè)置無(wú)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(wú)線電法規(guī)。

MDO能夠查看時(shí)間相關(guān)的信號(hào)，幫助設(shè)計(jì)人員高效診斷和測(cè)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(wú)線電的數(shù)據(jù)命令，并能夠檢查來(lái)自發(fā)射機(jī)和其它電路的雜散輻射。它可以用來(lái)測(cè)量高達(dá)6 GHz的RF信號(hào)，另外還可以通過(guò)時(shí)間相關(guān)的采集，查看來(lái)自開(kāi)關(guān)電源和數(shù)字電路的低頻噪聲。
 

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