使用混合域示波器查找無線嵌入式系統中的噪聲來源

分類：技術教程日期：2011-10-17 00:00:00 來源：泰克公司

在把無線電芯片或模塊集成到典型的嵌入式系統中時，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、來自系統其它部分的數字噪聲、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，新增的無線技術進一步提高了嵌入式系統的復雜程度，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實，即無線技術無處不在。據估算，目前使用的無線設備已經超過10億臺，30%的嵌入式設計現在包括無線功能，而且這一數字每天都在持續增長。

在嵌入式系統中增加無線功能時，在集成中一般會遇到許多問題。對電池供電系統，一般使用開關穩壓器，以最低的成本實現最高的實用效率。電源輸出功率也經常是一個問題。這要求使用高開關頻率，使輸出濾波的規格和要求達到最小。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送的信號質量。如果設置和過濾不當，無線電可能會給其它無線電系統帶來干擾，或不能滿足相應的法規標準。某些無線電系統需要信道濾波器、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要求。

作為嵌入式設計人員首選的工具，示波器是單純為進行時域測量而優化的。MSO (混合信號示波器)可以同時測量模擬信號和數字信號，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起來，而這對查找系統級問題至關重要。

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。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。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)中進行時間相關測量。此外，它可以在多個模擬信號、數字信號和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，測量發送的無線電信號的上升時間，或測量無線數據流中的多個符號之間的時間。可以分析某種設備狀態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信號簡單的模擬調制特點、啟動特點和穩定特點。

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：“發送的這個RF信號是否位于分配的頻譜范圍內？”“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

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，我們使用升壓轉換器集成電路Microchip MCP1640，其集成到MCP1640EV評測電路板上。這個轉換器以大約500 kHz頻率開關，這一頻率對開關穩壓器十分常見。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，其擁有相當低的2 kbps的FSK調制數據速率，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射機輸出，畫面的上半部分是時域的傳統示波器視圖。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構可以以時間相關的方式分開采集所有輸入(數字信號、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據包前置碼符號期間的占用功率測量。

可以在采集數據中移動頻譜時間(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，顯示數據包前置碼多個符號期間發送的信號的頻譜。頻譜時間是支持頻譜畫面希望的解析帶寬(RBW)要求的時間數量。它等于窗口整形因數除以RBW。默認的Kaiser Window的整形因數為2.23，在本例中，頻譜時間為2.23/220 Hz，約為10 ms。

FSK調制一次只有一個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據包傳輸，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。可以看到，電流從數據包之間接近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，這在實際環境中很難實現，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。升壓穩壓器因產生噪聲而臭名昭著，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。注意被調制信號底部的噪聲提高。在發送的信號附近，噪聲至少要比干凈的電源高5 dB。噪聲已經容易地顯現在電流波形和電壓波形中。額外的噪聲還會令從發射機收集這些數據所使用的接收機上的信號信噪比劣化，降低無線電系統的有效范圍。

圖4. 開關電源的頻譜和電源測量結果。

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，用絕對值顯示結果，或作為相對值顯示參考最大信號的結果。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. 使用升壓轉換器的電源和電路板噪聲。

數字電路板可能會產生噪聲，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范圍內有明顯的噪聲。自動標記顯示868 MHz發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據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構，接收機靈敏度可能受到各種頻率上的噪聲影響。