使用混合域示波器查找无线嵌入式系统中的噪声来源

Bazinga

在把无线电芯片或模块集成到典型的嵌入式系统中时，设计人员必须面临的一项常见任务是追踪和消除噪声和杂散信号。潜在的噪声来源包括：开关电源、来自系统其它部分的数字噪声、以及外部噪声来源。在考虑噪声时，还应考虑无线电产生的任何可能的干扰，这是避免干扰其它无线电及满足法规要求的一项重要考虑因素。

查找噪声来源一直不是一件轻松的事情。但是，新增的无线技术进一步提高了嵌入式系统的复杂程度，设计人员在跟踪噪声来源方面面临着更大的障碍。我们必须面对这个现实，即无线技术无处不在。据估算，目前使用的无线设备已经超过10亿台，30%的嵌入式设计现在包括无线功能，而且这一数字每天都在持续增长。

在嵌入式系统中增加无线功能时，在集成中一般会遇到许多问题。对电池供电系统，一般使用开关稳压器，以最低的成本实现最高的实用效率。电源输出功率也经常是一个问题。这要求使用高开关频率，使输出滤波的规格和要求达到最小。这些电源在输出电压上通常有纹波，其可能会显示在RF发射机输出上，特别是在负荷下或在电池电量不足时。为避免这种情况，可能需要额外的电源滤波，以避免无线电信号不想要的损伤，尽管这会导致不希望的成本或功率。

无线电芯片或模块的硬件电路和软件配置可能会影响发送的信号质量。如果设置和过滤不当，无线电可能会给其它无线电系统带来干扰，或不能满足相应的法规标准。某些无线电系统需要信道滤波器、RF表面声波和其它成本相对较高的滤波器，以满足信道外和带外辐射的法规要求。

作为嵌入式设计人员首选的工具，示波器是单纯为进行时域测量而优化的。MSO (混合信号示波器)可以同时测量模拟信号和数字信号，但使用示波器很难在RF载波上有效测量RF信号。另外很难把时域和频域中的事件充分关联起来，而这对查找系统级问题至关重要。

尽管频谱分析仪可以在频域中进行测量，但对大多数嵌入式设计人员来说，频谱分析仪并不是首选的工具。使用频谱分析仪在系统其余地方进行时间相关测量几乎是不可能的。

在本文中，我们将考察使用一种称为混合域示波器或MDO的新型仪器查找噪声来源的技巧和技术。泰克最近推出了世界上第一台MDO，本文中的实例就基于MDO4000系列。该示波器拥有独特的功能，可以同时显示4个模拟信号、16个数字波形、最多4条解码的串行总线和/或并行总线及1个RF信号。所有这些信号都时间相关，显示控制信号对模拟域和RF域的影响。

在深入了解使用MDO的操作实例之前，我们首先回顾一下这一示波器背后的部分主要概念。混合域示波器在查找噪声来源中的主要价值，是它能够在两个域(时域和频域)中进行时间相关测量。此外，它可以在多个模拟信号、数字信号和RF信号中进行这些测量。

所谓时间相关，是指MDO能够测量所有输入之间的定时关系。例如，它可以测量控制信号与无线电传输之开始之间的时间，测量发送的无线电信号的上升时间，或测量无线数据流中的多个符号之间的时间。可以分析某种设备状态变化期间的电源电压暂降，并与对RF信号的影响相关。时间相关对了解整个系统操作或因果关系非常重要。

时域信号是最好用幅度随时间变化观察的信号，这些信号在传统上使用示波器测量。用幅度随时间变化观察信号有助于回答下面这些问题：“电源真的是DC吗？”“这个数字信号的建立时间是否充足？”“我的RF信号打开了么？”“目前正在通过这条有线总线传送哪些信息？”时域信号不限于模拟输入。观看RF幅度、频率和相位随时间变化可以研究RF信号简单的模拟调制特点、启动特点和稳定特点。

频域信号则是最好用幅度随频率变化观察的信号，这些信号在传统上使用频谱分析仪测量。用幅度随频率变化观察信号有助于回答下面这些问题：“发送的这个RF信号是否位于分配的频谱范围内？”“这个信号上的谐波失真是否会导致设备问题？”“这个频段中是否存在任何信号？”

应用实例：带有开关电源、具有无线功能的嵌入式系统

在下面的讨论中，被测器件将使用一块灵活的无线电集成电路，其已经集成到无线电测试模块中，即Microchip Technologies MRF89XM8A。这个模块采用MRF89XA集成电路无线电及滤波和天线匹配。为进行演示，这个模块安装在Microchip Explorer 16电路板上，与电脑一起使用，对无线电设置进行编程。

为演示使用开关电源对无线电供电的影响，我们使用升压转换器集成电路Microchip MCP1640，其集成到MCP1640EV评测电路板上。这个转换器以大约500 kHz频率开关，这一频率对开关稳压器十分常见。它可以提供无线电模块所需的3.3 V输出电压，支持最低0.8 V的输入电压。这意味着可以从一个电池单元为无线电供电，降低产品的电池尺寸。图1是测试设置图。



图1.被测器件(Microchip Technologies MRF89XA 868 MHz无线电)与混合域示波器之间的测试连接。

我们测量以868 MHz为中心的无线电频谱，其拥有相当低的2 kbps的FSK调制数据速率，以供参考。图2显示了参考频谱。注意MDO同时显示时域视图和频域视图，所有信号都时间相关。

画面的下半部分显示了RF信号的频域视图，在本例中是无线电发射机输出，画面的上半部分是时域的传统示波器视图。频域视图中显示的频谱来自时域视图中短橙色条指明的时间周期，称为频谱时间(Spectrum Time)。




图2. 观察时域和频域。

由于时域画面的水平量程独立于处理时域画面傅立叶变换(FFT)要求的时间数量，表示与RF采集相关的实际时间周期非常重要。MDO系列示波器的独特结构可以以时间相关的方式分开采集所有输入(数字信号、模拟信号和RF信号)。每个输入有单独的存储器，视时域画面的水平采集时间，存储器中采集的RF信号支持频谱时间，并可以在模拟时间内部移动，如图3所示。


图3. 使用干净的实验室电源显示的多个数据包前置码符号期间的占用功率测量。

可以在采集数据中移动频谱时间(Spectrum Time)，考察RF频谱怎样随时间变化。在图3中，我们放置频谱时间，显示数据包前置码多个符号期间发送的信号的频谱。频谱时间是支持频谱画面希望的解析带宽(RBW)要求的时间数量。它等于窗口整形因数除以RBW。默认的Kaiser Window的整形因数为2.23，在本例中，频谱时间为2.23/220 Hz，约为10 ms。

FSK调制一次只有一个RF信号频率，我们对频谱使用较长的采集时间，以测量占用带宽和总功率。

为简便地看到无线电中的数据包传输，我们在时域视图中增加了RF随时间变化曲线。标有“A”的橙色曲线显示了瞬时RF幅离随时间变化。标有“f ”的橙色曲线显示了相对于画面中心频率的瞬时RF频率随时间变化。绿色曲线(通道4)显示了到模块的电流。可以看到，电流从数据包之间接近0上升到传输期间大约40 mA。黄色曲线(通道1)显示了模块电源电压上的AC纹波。注意在传输期间只有很小的电压暂降。

上图是在使用干净的实验室电源供电的模块中获得的，这在实际环境中很难实现，但可以作用实用参考。图4显示了相同的RF信号，但使用升压型开关电源为无线电模块供电。升压稳压器因产生噪声而臭名昭著，但它允许使用一个或两个碱性或镍镉单元及相对较少的器件，降低了成本。注意被调制信号底部的噪声提高。在发送的信号附近，噪声至少要比干净的电源高5 dB。噪声已经容易地显现在电流波形和电压波形中。额外的噪声还会令从发射机收集这些数据所使用的接收机上的信号信噪比劣化，降低无线电系统的有效范围。




图4. 开关电源的频谱和电源测量结果。

可以使用商用EMI电流探头测量来自电源的噪声，电流探头用来观察来自图5中开关装置的噪声。在本例中，开关装置由电阻器和小型电容器提供载荷。MDO中的自动标记功能用来显示电源发出的最明显的七个信号的频率和幅度。MDO4000系列可以提供最多11个自动标记，用绝对值显示结果，或作为相对值显示参考最大信号的结果。最高值一直表示为红色参考(Red Reference)标记。注意基础频率和二阶谐波的电平大体相同，约为30 dBuA。屏幕的上半部分显示了MCP1640 IC开关晶体管上的波形。我们使用测量功能显示开关频率，确认RF标记测量。




图5. 到等效载荷的电源开关噪声。

在电源驱动RF电路板时，噪声功率的时域画面和频域画面变化。图6显示了相同的电源噪声及额外的信号。注意二阶谐波下降，但有许多其它低电平噪声。部分噪声可能会给无线电接收机的运行带来很大干扰，需要认真评估。




图6. 使用升压转换器的电源和电路板噪声。

数字电路板可能会产生噪声，如图7所示。可以使用一只单线探头，查找噪声来源、幅度和频率。这里，在220 MHz范围内有明显的噪声。自动标记显示868 MHz发送信号及不想要的信号的最高电电平。我们使用手动标记测量最高电平噪声的频率范围。手动标记中显示的测量数据还包括关心的信号的噪声密度。了解这类噪声功率可能会非常重要，因为视无线电接收机结构，接收机灵敏度可能受到各种频率上的噪声影响。




图7. 在使用升压转换器时来自数字电路板的宽频谱噪声。

无线电产生的噪声
在嵌入式系统中增加无线电系统时还有一个潜在问题，即无线电生成噪声，会干扰系统的其它部分，或不能满足无线电信号的法规限制。占用带宽和总发送功率等测量还有助于评估是否满足法规要求。

图8显示了想要的信号的频谱以及相邻频率中的杂散信号传输。它显示了基础频率任一侧500 kHz左右的部分杂散信号，但它们比基础频率低约40 dB，整体上是可以接受的。这个图还显示测得的信号功率为1.4 dBm，占用带宽为94.5 kHz，落在可以接受的100 kHz典型带宽范围内。




图8.基础信号周围的信道外频谱。

下一步是使用与图8中基础频率相同的测量查看二阶谐波。在这个实例中，我们发现，二阶谐波上的功率电平较基础谐波略微下降了不到40 dB，占用带宽是基础谐波频谱带宽的两倍。图9显示了三阶谐波，其通常是无线电系统中最麻烦的部分。但是，在这个频率上，信号的噪声功率相对于载波非常低(~ -60dBc)。

可以直到六阶谐波在这个频段中进行测量。在这一频率中，这一无线电几乎没有明显辐射，低于-80 dBm。




图9. 三阶谐波上的频谱。

小结
在嵌入式系统中包括无线通信技术时，要考察许多关键问题，包括电源开关噪声的影响、正确设置无线电集成电路的工作参数、保证发射输出满足相应的无线电法规。

MDO能够查看时间相关的信号，帮助设计人员高效诊断和测试电源和其它噪声影响。它能够确认正确设置发送到无线电的数据命令，并能够检查来自发射机和其它电路的杂散辐射。它可以用来测量高达6 GHz的RF信号，另外还可以通过时间相关的采集，查看来自开关电源和数字电路的低频噪声。