Darren McCarthy，泰克公司

 

設計和采樣無線系統，以便能夠用于世界不同地區，帶來了一個重大挑戰。如果大家能夠就使用的頻率、調制類型、功率電平和帶寬達成一致，結果不是很好嗎？遺憾的是，這們生活的世界并不是這樣的，無線電法規在不同地區之間變化很大，特別是沒有牌照的無線電控制和遙測應用使用的部分頻率。

 

對某些應用來說，在2.4 GHz上運行的標準化無線電 (如藍牙、ZigBee或Wi-Fi)可以幾乎用于世界上任何地方。但是，對其它應用來說，改進大樓穿透力、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，設計人員的任務是優化和檢驗無線電集成電路，這些集成電路用于相同應用，但用于不同地區。

 

本文考察了嵌入式無線電集成電路和模塊技術，這些技術非常靈活，可以優化用于北美和歐洲地區。這些無線電集成電路和模塊一般擁有數十個設置寄存器，實現了這種靈活性。為了滿足不同市場要求，包括功率、頻率和占用帶寬，工程師必須能夠檢驗無線電的RF運行，確認發送到無線電的命令和數據是正確的。

 

過去，這是一項很難的任務，因為需要關聯無線電發射機的RF輸出，同時讀取控制信號，包括能夠觸發和解碼SPI和其它總線，以及測量吸收電流、電源電壓及其它模擬信號和數字信號。一般來說，這需要結合使用示波器和頻譜分析儀進行測量，然后手動關聯捕獲的信號。最近，泰克推出業內第一個、也是唯一一個商用混合域示波器(MDO)，把示波器和頻譜分析儀融合在一臺儀器中。在本文中，我們將說明可以怎樣使用這一儀器，促進北美和歐洲地區的無線電集成電路優化。

 

在大樓中傳播信號時，900 MHz范圍內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，可以靈活地進行不同配置，滿足當地法規。首先，應清楚地了解您針對的不同地區允許使用哪些頻段。

 

在歐洲大部分地區，沒有牌照的無線電系統允許在868 MHz范圍內工作，擁有足夠的功率，在某些國家和頻段中可以以25 mW或更高的發射機功率涵蓋大樓內幾百英尺的范圍。這些系統還必須擁有有限的占用帶寬，因為法規中提供的頻譜段相對較窄。

 

相比之下，在北美，915 MHz周圍沒有牌照的頻譜分配范圍相對較大(902 - 928 MHz)。但是，為了以幾分之一毫秒以上的功率發送，信號必須擴散到至少500 kHz的頻譜中，進一步限制了峰值功率。北美市場允許選擇窄帶低功率應用，或900 MHz頻譜中較高功率的寬帶應用。還可以采用跳頻，但這要求的軟件一般要比寬帶(數字)調制復雜得多。盡管使用帶寬較寬的信號有某些劣勢，但它可以提供更高的數據吞吐量。與北美允許的窄帶信號中低得多的功率電平相比，更寬的帶寬及更高的發射機功率可以用于更長的量程。

 

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正確運行所需的測試。除在工作模式上靈活性大以外，這種集成電路的接收機能耗低，適合用于電池供電的應用。為方便起見，我們使用為868 MHz頻段優化的同一模塊，但北美需要的元件一般會略有不同。

 

在儀器一側，我們使用泰克MDO4104-6混合域示波器。它能夠同時顯示直到1 GHz帶寬的多個模擬信號、16個數字波形(包括數字數據解碼)以及高達6 GHz的RF信號。所有這些信號都可以時間相關，顯示控制信號和模擬信號對RF時域和頻域的影響。

 

為了演示需要測量的信號，以保證兩種發射機模式正確運行，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說明了使用的設置。

 

 

 

 

對歐洲大部分地區來說，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)。對這一系統，把它設置成以每秒5 kb速率發送FSK (頻移鍵控)，標稱偏差為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信號的頻譜約為4ms，以及同一時間刻度上多條時域曲線。Spectrum Time通過把窗口整形因數除以解析帶寬(RBW)確定。在這個實例中，Kaiser Window函數及2.23的整形因數和550 Hz RBW要求的采集時間約為4 ms。頻域畫面中還顯示了總功率和占用帶寬測量數據。

 

 

 

在前置碼期間測得的占用帶寬為98 kHz，滿足這個FSK信號的技術規范。1.4 dBm的輸出功率(剛剛大于1 mW)低于目標，但在國家法規允許時，通過使用匹配更好的高增益天線或簡單的功放器，可以簡便提高到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信號的幅度。注意在集成電路啟動時，電流剛開始時上升了幾mA。只有在電流達到整整40 mA時，我們才能看到RF信號。

 

頻率隨時間變化曲線用橙色曲線“f”表示，顯示了每格50 kHz時信號FSK調制的頻率偏差。這證實了頻譜(頻域)及時域中預計的+/-33 kHz偏差。

 

在圖3中，在數據包晚一點的時候獲得頻譜，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制頻率上，這與頻率隨時間變化曲線中符號包表示的數據一致。可以使用這一功能，查找RF輸出或調制中的任何畸變。MDO能夠提供電源、調制和RF頻譜的時間關聯，這種能力在單獨的示波器和標準頻譜分析儀中很難復現。一個選項是打印輸出，然后把屏幕重疊在一起。這將保證兩臺儀器能夠一起觸發，雖然很難，但不是不可能。

 

 

 

查看從微控制器發送到無線電的命令也有很大幫助。通過把數字探頭連接到SPI總線上，SPI總線連接無線電模塊，可以打開SPI總線解碼，查看與數字數據對準的頻譜。

 

MDO設置成在屏幕中采集100萬樣點。盡管數字信號很快，但使用卷動和縮放功能可以看到數據。圖4顯示了數據包發送前的解碼數據。發送的數據是0x01, 0x02, …0x08，在圖中可以看到解碼后的數據。在屏幕的時域部分底部，現在還可以看到數據的數字版本。

 

 

 

在這個畫面中，Spectrum Time現在包括從預觸發中采樣的數據及開機特點，因為它包括RF信號為“ON”和“OFF”時的樣點，用下降的功率電平顯示。通過為命令選擇解碼行，而不是數據，可以以類似方式解碼和檢查命令。

 

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

 

        

 

 

這種方法適合確認正確設置了無線電集成電路。另一種技術是觸發SPI命令。例如，可以使用儀器，觸發命令040B，設置發射機輸出的頻率偏差。SPI觸發將設置成觸發一個兩字節字，第一個字節是命令。可以在MRF89XA無線電集成電路產品技術資料的幫助下，解碼其余的命令。

 

可以在一個畫面中評估SPI命令和RF事件之間的開機時延，如圖6所示。其實現方式為：使用SPI(MOSI)觸發條件，設置頻率偏差，改變水平時基(200 µs/div)，使用放大功能，測量SPI命令的影響。在通道4(綠色曲線)上測量吸收電流，頻率隨時間變化(橙色曲線)現在演示了RF信號出現時間大約遲了700 µs。

 

 

 

如前所述，FCC規定要求更寬的帶寬，以足夠的功率在明顯的室內量程中發送數據。盡管這可以實現更快的數據傳輸，但有效的接收機靈敏度會下降。為實現這種更寬的帶寬，一種策略是把數據速率提高到200 kbps，把偏差提高到+/- 200 kHz。

 

在圖7中，顯示了數據包前置碼期間的頻譜。現在占用帶寬超過500 kHz，因此滿足法規要求。時域頻率隨時間變化—曲線 “f,”顯示了預期的+/- 200 kHz偏差。另外，注意電流(綠色曲線4)和RF幅度(曲線A)信號相互追蹤。

 

 

 

下一步，我們將查看同一信號，但比較數據部分的頻譜。在本例中，占用帶寬小于前置碼期間。這一測量對確定是否仍滿足法規非常重要。然后，通過觸發偏差命令，可以確定偏差值。在本例中，偏差為01，對應200 kHz，這是這一無線電集成電路允許的最寬設置。

 

嵌入式無線電集成電路和模塊在配置無線電系統，滿足不同地區法規要求及任何特殊應用要求(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十個設置寄存器，實現了這種靈活性。對工程師來說，非常重要的一點是能夠檢驗無線電的RF運行，確認發送到無線電的命令和數據是正確的。

 

混合域示波器可以觀察和關聯無線電發射機的RF輸出，同時讀取控制信號或測量吸收電流、電源電壓和其它模擬信號和數字信號。為確認發送的數據，MDO可以提供時域版的RF信號，包括頻率、幅度和相位隨時間變化。如前所述，MDO為開發、調試和確認無線系統滿足法規要求提供了一種改進方式。

 

Darren McCarthy現任泰克公司全球RF技術市場經理。20多年來，他先后擔任各種測試測量職位，包括研發工程師、研發項目經理、產品規劃、業務和市場拓展。從業期間，他在多家IEC技術委員會和工作組，作為技術顧問和工作組成員，代表美國制訂國際EMC標準，目前在多家行業標準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量挑戰等多項課題。他畢業于美國伊利諾伊斯州埃文斯頓西北大學電氣工程專業，獲得學士學位。