Darren McCarthy，泰克公司

 

設(shè)計(jì)和采樣無線系統(tǒng)，以便能夠用于世界不同地區(qū)，帶來了一個(gè)重大挑戰(zhàn)。如果大家能夠就使用的頻率、調(diào)制類型、功率電平和帶寬達(dá)成一致，結(jié)果不是很好嗎？遺憾的是，這們生活的世界并不是這樣的，無線電法規(guī)在不同地區(qū)之間變化很大，特別是沒有牌照的無線電控制和遙測(cè)應(yīng)用使用的部分頻率。

 

對(duì)某些應(yīng)用來說，在2.4 GHz上運(yùn)行的標(biāo)準(zhǔn)化無線電 (如藍(lán)牙、ZigBee或Wi-Fi)可以幾乎用于世界上任何地方。但是，對(duì)其它應(yīng)用來說，改進(jìn)大樓穿透力、降低干擾、減少低頻無線電的能耗可能是更好的選擇。在這種情況下，設(shè)計(jì)人員的任務(wù)是優(yōu)化和檢驗(yàn)無線電集成電路，這些集成電路用于相同應(yīng)用，但用于不同地區(qū)。

 

本文考察了嵌入式無線電集成電路和模塊技術(shù)，這些技術(shù)非常靈活，可以優(yōu)化用于北美和歐洲地區(qū)。這些無線電集成電路和模塊一般擁有數(shù)十個(gè)設(shè)置寄存器，實(shí)現(xiàn)了這種靈活性。為了滿足不同市場(chǎng)要求，包括功率、頻率和占用帶寬，工程師必須能夠檢驗(yàn)無線電的RF運(yùn)行，確認(rèn)發(fā)送到無線電的命令和數(shù)據(jù)是正確的。

 

過去，這是一項(xiàng)很難的任務(wù)，因?yàn)樾枰P(guān)聯(lián)無線電發(fā)射機(jī)的RF輸出，同時(shí)讀取控制信號(hào)，包括能夠觸發(fā)和解碼SPI和其它總線，以及測(cè)量吸收電流、電源電壓及其它模擬信號(hào)和數(shù)字信號(hào)。一般來說，這需要結(jié)合使用示波器和頻譜分析儀進(jìn)行測(cè)量，然后手動(dòng)關(guān)聯(lián)捕獲的信號(hào)。最近，泰克推出業(yè)內(nèi)第一個(gè)、也是唯一一個(gè)商用混合域示波器(MDO)，把示波器和頻譜分析儀融合在一臺(tái)儀器中。在本文中，我們將說明可以怎樣使用這一儀器，促進(jìn)北美和歐洲地區(qū)的無線電集成電路優(yōu)化。

 

在大樓中傳播信號(hào)時(shí)，900 MHz范圍內(nèi)的無線電集成電路的效率要高于2.4 GHz頻段的集成電路。這些集成電路可以用于世界上大部分地區(qū)，可以靈活地進(jìn)行不同配置，滿足當(dāng)?shù)胤ㄒ?guī)。首先，應(yīng)清楚地了解您針對(duì)的不同地區(qū)允許使用哪些頻段。

 

在歐洲大部分地區(qū)，沒有牌照的無線電系統(tǒng)允許在868 MHz范圍內(nèi)工作，擁有足夠的功率，在某些國(guó)家和頻段中可以以25 mW或更高的發(fā)射機(jī)功率涵蓋大樓內(nèi)幾百英尺的范圍。這些系統(tǒng)還必須擁有有限的占用帶寬，因?yàn)榉ㄒ?guī)中提供的頻譜段相對(duì)較窄。

 

相比之下，在北美，915 MHz周圍沒有牌照的頻譜分配范圍相對(duì)較大(902 - 928 MHz)。但是，為了以幾分之一毫秒以上的功率發(fā)送，信號(hào)必須擴(kuò)散到至少500 kHz的頻譜中，進(jìn)一步限制了峰值功率。北美市場(chǎng)允許選擇窄帶低功率應(yīng)用，或900 MHz頻譜中較高功率的寬帶應(yīng)用。還可以采用跳頻，但這要求的軟件一般要比寬帶(數(shù)字)調(diào)制復(fù)雜得多。盡管使用帶寬較寬的信號(hào)有某些劣勢(shì)，但它可以提供更高的數(shù)據(jù)吞吐量。與北美允許的窄帶信號(hào)中低得多的功率電平相比，更寬的帶寬及更高的發(fā)射機(jī)功率可以用于更長(zhǎng)的量程。

 

我們選擇使用MRF89XAM8A模塊上的Microchip Technologies MRF89XA IC，來闡述部分集成問題及確認(rèn)正確運(yùn)行所需的測(cè)試。除在工作模式上靈活性大以外，這種集成電路的接收機(jī)能耗低，適合用于電池供電的應(yīng)用。為方便起見，我們使用為868 MHz頻段優(yōu)化的同一模塊，但北美需要的元件一般會(huì)略有不同。

 

在儀器一側(cè)，我們使用泰克MDO4104-6混合域示波器。它能夠同時(shí)顯示直到1 GHz帶寬的多個(gè)模擬信號(hào)、16個(gè)數(shù)字波形(包括數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)解碼)以及高達(dá)6 GHz的RF信號(hào)。所有這些信號(hào)都可以時(shí)間相關(guān)，顯示控制信號(hào)和模擬信號(hào)對(duì)RF時(shí)域和頻域的影響。

 

為了演示需要測(cè)量的信號(hào)，以保證兩種發(fā)射機(jī)模式正確運(yùn)行，我們使用Microchip Explorer 16演示電路板，控制無線電模塊，允許連接示波器。圖1說明了使用的設(shè)置。

 

 

 

 

對(duì)歐洲大部分地區(qū)來說，在868 MHz頻段中，允許最高25 mW的功率，帶寬一般為100 kHz (視特定子頻段而定)。對(duì)這一系統(tǒng)，把它設(shè)置成以每秒5 kb速率發(fā)送FSK (頻移鍵控)，標(biāo)稱偏差為33 kHz。圖2中的橙色條顯示了前置碼部分傳輸期間捕獲的這個(gè)信號(hào)的頻譜約為4ms，以及同一時(shí)間刻度上多條時(shí)域曲線。Spectrum Time通過把窗口整形因數(shù)除以解析帶寬(RBW)確定。在這個(gè)實(shí)例中，Kaiser Window函數(shù)及2.23的整形因數(shù)和550 Hz RBW要求的采集時(shí)間約為4 ms。頻域畫面中還顯示了總功率和占用帶寬測(cè)量數(shù)據(jù)。

 

 

 

在前置碼期間測(cè)得的占用帶寬為98 kHz，滿足這個(gè)FSK信號(hào)的技術(shù)規(guī)范。1.4 dBm的輸出功率(剛剛大于1 mW)低于目標(biāo)，但在國(guó)家法規(guī)允許時(shí)，通過使用匹配更好的高增益天線或簡(jiǎn)單的功放器，可以簡(jiǎn)便提高到25 mW或以上。在屏幕上半部分，綠色曲線(曲線4)是模塊吸收的電流。黃色曲線(曲線1)顯示了為模塊提供的電壓。曲線A是RF信號(hào)的幅度。注意在集成電路啟動(dòng)時(shí)，電流剛開始時(shí)上升了幾mA。只有在電流達(dá)到整整40 mA時(shí)，我們才能看到RF信號(hào)。

 

頻率隨時(shí)間變化曲線用橙色曲線“f”表示，顯示了每格50 kHz時(shí)信號(hào)FSK調(diào)制的頻率偏差。這證實(shí)了頻譜(頻域)及時(shí)域中預(yù)計(jì)的+/-33 kHz偏差。

 

在圖3中，在數(shù)據(jù)包晚一點(diǎn)的時(shí)候獲得頻譜，如橙色條新的位置所示。輸出功率相同，更多的能量位于較低的調(diào)制頻率上，這與頻率隨時(shí)間變化曲線中符號(hào)包表示的數(shù)據(jù)一致。可以使用這一功能，查找RF輸出或調(diào)制中的任何畸變。MDO能夠提供電源、調(diào)制和RF頻譜的時(shí)間關(guān)聯(lián)，這種能力在單獨(dú)的示波器和標(biāo)準(zhǔn)頻譜分析儀中很難復(fù)現(xiàn)。一個(gè)選項(xiàng)是打印輸出，然后把屏幕重疊在一起。這將保證兩臺(tái)儀器能夠一起觸發(fā)，雖然很難，但不是不可能。

 

 

 

查看從微控制器發(fā)送到無線電的命令也有很大幫助。通過把數(shù)字探頭連接到SPI總線上，SPI總線連接無線電模塊，可以打開SPI總線解碼，查看與數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)對(duì)準(zhǔn)的頻譜。

 

MDO設(shè)置成在屏幕中采集100萬(wàn)樣點(diǎn)。盡管數(shù)字信號(hào)很快，但使用卷動(dòng)和縮放功能可以看到數(shù)據(jù)。圖4顯示了數(shù)據(jù)包發(fā)送前的解碼數(shù)據(jù)。發(fā)送的數(shù)據(jù)是0x01, 0x02, …0x08，在圖中可以看到解碼后的數(shù)據(jù)。在屏幕的時(shí)域部分底部，現(xiàn)在還可以看到數(shù)據(jù)的數(shù)字版本。

 

 

 

在這個(gè)畫面中，Spectrum Time現(xiàn)在包括從預(yù)觸發(fā)中采樣的數(shù)據(jù)及開機(jī)特點(diǎn)，因?yàn)樗≧F信號(hào)為“ON”和“OFF”時(shí)的樣點(diǎn)，用下降的功率電平顯示。通過為命令選擇解碼行，而不是數(shù)據(jù)，可以以類似方式解碼和檢查命令。

 

圖5使用卷動(dòng)和縮放功能，顯示了解碼后的命令讀寫整體配置寄存器。SPI(MOSI)行的第一對(duì)字節(jié)讀取通用配置寄存器，在SPI(MISO)行中返回值30。第二對(duì)字節(jié)00 30在868 MHz頻段中，把地址0上的通用配置寄存器設(shè)置成待機(jī)模式。

 

        

 

 

這種方法適合確認(rèn)正確設(shè)置了無線電集成電路。另一種技術(shù)是觸發(fā)SPI命令。例如，可以使用儀器，觸發(fā)命令040B，設(shè)置發(fā)射機(jī)輸出的頻率偏差。SPI觸發(fā)將設(shè)置成觸發(fā)一個(gè)兩字節(jié)字，第一個(gè)字節(jié)是命令。可以在MRF89XA無線電集成電路產(chǎn)品技術(shù)資料的幫助下，解碼其余的命令。

 

可以在一個(gè)畫面中評(píng)估SPI命令和RF事件之間的開機(jī)時(shí)延，如圖6所示。其實(shí)現(xiàn)方式為：使用SPI(MOSI)觸發(fā)條件，設(shè)置頻率偏差，改變水平時(shí)基(200 µs/div)，使用放大功能，測(cè)量SPI命令的影響。在通道4(綠色曲線)上測(cè)量吸收電流，頻率隨時(shí)間變化(橙色曲線)現(xiàn)在演示了RF信號(hào)出現(xiàn)時(shí)間大約遲了700 µs。

 

 

 

如前所述，F(xiàn)CC規(guī)定要求更寬的帶寬，以足夠的功率在明顯的室內(nèi)量程中發(fā)送數(shù)據(jù)。盡管這可以實(shí)現(xiàn)更快的數(shù)據(jù)傳輸，但有效的接收機(jī)靈敏度會(huì)下降。為實(shí)現(xiàn)這種更寬的帶寬，一種策略是把數(shù)據(jù)速率提高到200 kbps，把偏差提高到+/- 200 kHz。

 

在圖7中，顯示了數(shù)據(jù)包前置碼期間的頻譜。現(xiàn)在占用帶寬超過500 kHz，因此滿足法規(guī)要求。時(shí)域頻率隨時(shí)間變化—曲線 “f,”顯示了預(yù)期的+/- 200 kHz偏差。另外，注意電流(綠色曲線4)和RF幅度(曲線A)信號(hào)相互追蹤。

 

 

 

下一步，我們將查看同一信號(hào)，但比較數(shù)據(jù)部分的頻譜。在本例中，占用帶寬小于前置碼期間。這一測(cè)量對(duì)確定是否仍滿足法規(guī)非常重要。然后，通過觸發(fā)偏差命令，可以確定偏差值。在本例中，偏差為01，對(duì)應(yīng)200 kHz，這是這一無線電集成電路允許的最寬設(shè)置。

 

嵌入式無線電集成電路和模塊在配置無線電系統(tǒng)，滿足不同地區(qū)法規(guī)要求及任何特殊應(yīng)用要求(如頻率、功率電平和占用帶寬)方面提供了巨大的靈活性。這些無線電集成電路和模塊一般有數(shù)十個(gè)設(shè)置寄存器，實(shí)現(xiàn)了這種靈活性。對(duì)工程師來說，非常重要的一點(diǎn)是能夠檢驗(yàn)無線電的RF運(yùn)行，確認(rèn)發(fā)送到無線電的命令和數(shù)據(jù)是正確的。

 

混合域示波器可以觀察和關(guān)聯(lián)無線電發(fā)射機(jī)的RF輸出，同時(shí)讀取控制信號(hào)或測(cè)量吸收電流、電源電壓和其它模擬信號(hào)和數(shù)字信號(hào)。為確認(rèn)發(fā)送的數(shù)據(jù)，MDO可以提供時(shí)域版的RF信號(hào)，包括頻率、幅度和相位隨時(shí)間變化。如前所述，MDO為開發(fā)、調(diào)試和確認(rèn)無線系統(tǒng)滿足法規(guī)要求提供了一種改進(jìn)方式。

 

Darren McCarthy現(xiàn)任泰克公司全球RF技術(shù)市場(chǎng)經(jīng)理。20多年來，他先后擔(dān)任各種測(cè)試測(cè)量職位，包括研發(fā)工程師、研發(fā)項(xiàng)目經(jīng)理、產(chǎn)品規(guī)劃、業(yè)務(wù)和市場(chǎng)拓展。從業(yè)期間，他在多家IEC技術(shù)委員會(huì)和工作組，作為技術(shù)顧問和工作組成員，代表美國(guó)制訂國(guó)際EMC標(biāo)準(zhǔn)，目前在多家行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)工作組和論壇中代表泰克公司。他最新出版的專著涉及非線性器件檢定及超寬帶測(cè)量挑戰(zhàn)等多項(xiàng)課題。他畢業(yè)于美國(guó)伊利諾伊斯州埃文斯頓西北大學(xué)電氣工程專業(yè)，獲得學(xué)士學(xué)位。