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在把射頻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，還應考慮射頻電路產生的任何可能的干擾，這是避免干擾其它無線電設備及滿足法規要求的一項重要考慮因素。在本應用指南中，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和技巧。
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圖 1泰克 MDO4000 系列混合域示波器和 Microchip 射頻測試電路板模塊。
在嵌入式系統中增加射頻功能時，在集成中一般會遇到許多問題。
對電池供電系統，一般使用開關穩壓器，以最低的成本實現最高的實用效率。電源尺寸也經常是一個問題。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，這些波紋可能會出現在RF發射機輸出上，特別是在搞工作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，以避免射頻輸出信號受到影響，盡管這會導致增加成本或尺寸。
無線電芯片或模塊的硬件電路和軟件配置可能會影響發送的信號質量。如果設置和過濾不當，射頻輸出信號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。
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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。
應用實例：帶有開關電源、支持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射頻通信集成電路，其已經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。
為調試這個器件，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。圖 2 說明了下述測試使用的設置。
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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，其擁有相當低的 2 kbps的 FSK調制數據速率，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。
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)。
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。MDO4000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 4 所示。
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圖 4. 使用干凈的實驗源，在數據前碼多個符期間的占用功率測結果。
通過 MDO4000 系列，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4中，我們調整頻譜時間的位置，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分辨率帶寬(RBW)要求的時間數量。它等于窗口因數除以 RBW。默認的 KaiserWindow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。
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圖 5. 數據包數據期間的頻譜。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據包傳輸，我們在MDO4000系列的時域視圖中增加了RF隨時間變化曲線。標有“A”的橙色曲線顯示了瞬時 RF 的幅度隨時間的變化。標有“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，電流從數據包之間接近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 顯示了在數據包數據部分獲得的同一信號。注意大多數能量位于較低的頻率上。圖 4 和圖 5 都是在使用干凈的實驗室電源供電的模塊中獲得的。
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圖 6. 開關電源的頻譜和電源測量結果。
圖6顯示了相同的RF信號，但使用升壓型開關電源為射頻模塊供電。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電池及相對較少的器件，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。噪聲已經清晰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到接收機上的信號信噪比變差，降低射頻系統的有效工作范圍。
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圖 7. 到等效載荷的電源開關噪聲。
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7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做模擬負載。
MDO4000系列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。注意基波頻率和二次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電源的開關頻率為508 KHz左右，確認與RF頻譜中的基波頻率一致。
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圖 8. 使用升壓轉換器的電源和電路板噪聲。
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 8 顯示了相同的電源噪聲及額外的信號。注意二次諧波下降，但有許多其它低電平噪聲。部分噪聲可能會給接收機的運行帶來很大干擾，需要認真評估。數字電路板可能會產生噪聲，如圖9所示。可以使用一只單端探頭，查找噪聲來源、幅度和頻率。MDO4000系列可以以優異的捕獲帶寬，在一個采集中覆蓋多個頻率。
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圖 9. 在使用升壓轉換器時來自數字電路板的寬頻譜噪聲。
更高 RF 頻率上額外的寬頻譜噪聲圖 9 顯示了 220 MHz 范圍內明顯的噪聲。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。
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圖 10. 基波信號周圍的信道外頻譜。
射頻電路產生的噪聲
在嵌入式系統中增加射頻電路時還有一個潛在問題，即射頻模塊生成噪聲，會干擾系統的其它部分，或不能滿足無線電管理法規的規定。MDO4000系列提供的測量，如占用帶寬和總發送功率，還有助于評估是否滿足法規要求。
圖10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。它顯示了基波頻率任一側 500 kHz 左右的部分雜散信號，但它們比基波頻率低約 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。
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圖 11. 二次諧波上的頻譜。
圖11顯示了用與圖10基波信號相同方法測量二次諧波。注意二次諧波上的功率電平較基礎諧波略微下降了不到 40 dB，占用帶寬是基波信號諧波頻譜帶寬的兩倍。
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圖 12. 三次諧波上的頻譜。
圖12顯示了三次諧波，其通常是射頻系統中最麻煩的部分。但是，在這個頻率上，信號的噪聲功率相對于載波非常低(~ -60dBc)。
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圖 13. 六次諧波的頻譜。標記峰值顯示信號低于 -80 dBm。
MDO4000系列可以在這一頻段中進行直到六次諧波的測量。在這一頻率中，這一射頻信號幾乎沒有明顯輻射，低于 -80 dBm (注意兩個標記上的值)。
小結
在嵌入式系統中包括無線通信技術時，要考察許多關鍵問題，包括電源開關噪聲的影響、正確設置射頻集成電路的工作參數、保證發射輸出滿足相應的無線電法規。泰克 MDO4000 混合域示波器系列可以診斷和測試電源和其它噪聲影響。它能夠確認正確設置發送到無線電的數據命令，并能夠檢查來自發射機和其它電路的雜散輻射。它可以用來測量高達 6 GHz 的
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