Выявление источника шума в беспроводных встраиваемых системах

При добавлении возможностей беспроводной связи во встраиваемые системы, инженеры-конструкторы часто сталкиваются с рядом проблем интеграции. Для систем с батарейным питанием обычно используется импульсный стабилизатор, обеспечивающий эффективность работы при низких затратах. Однако, размер блока питания может стать проблемой. Это может привести к увеличению частоты переключений для минимизации размера и требований выходной фильтрации. Такие источники питания часто имеют колебания выходного напряжения, которые могут повлиять на выход РЧ сигнала, особенно при нагрузке или низком заряде батареи.

Рис. 1. Осциллографы смешанных сигналов c анализатором спектра Tektronix серии MDO4000

Для избежания ухудшения радиосигнала может понадобиться дополнительный фильтр, требующий новых затрат. Аппаратная реализация и конфигурация программного обеспечения микросхемы или модуля передачи могут повлиять на качество сигнала. Неправильная установка и фильтрация может стать как причиной помех для других систем радиосвязи так и привести к несоответствию разрабатываемого передатчика действующим стандартам радиосвязи. Некоторые системы радиосвязи требуют использования канальных фильтров, радиочастотной поверхностной акустической волны или других аналогичных дорогостоящих фильтров для обеспечения соответствия стандартам агенства по техническому регулированию внеканальных и внеполосных эмиссий.

Рис. 2. Взаимодействие тестируемого устройства (микросхема Microchip Technologies MRF89XA 868 MHz) с комбинированным осциллографом серии MDO4000

Пример применения: Беспроводная встроенная система с коммутационным источником питания

В данной статье рассматривается тестируемое устройство, использующее интегральную микросхему, встроенную в модуль для тестирования РЧ сигналов, Microchip Technologies MRF89XM8A. Этот модуль включает в себя передатчик MRF89XA с соответствующими фильтром и антенной. В качестве примера, модуль установлен на плате Microchip Explorer 16, и используется совместно с ПК для программирования настроек передатчика. Для иллюстрации воздействия питания передатчика от импульсного источника, используется повышающий преобразователь Microchip MCP1640, встроенный в плату MCP1640EV.

Данный конвертер переключается на частоте 500 кГц, что является средним показателем для импульсных приборов. На выходе он может генерировать 3.3 В, необходимые для модуля с входным напряжение 0.8 В. Таким образом, передатчик может питаться от отдного аккумулятора, что позволяет уменьшить размер батареи устройства. Для поиска и устранения неисправностей используется комбинированный осциллограф Tektronix серии MDO4000. MDO4000 способен одновременно отображать 4 аналоговых, 16 цифровых, 1 радиочастотный сигнал и декодировать до 4 последовательных/параллельных шин. Все сигналы коррелированы по времени для регистрации командных сигналов в аналоговой и РЧ областях. Рис. 2 показывает настройки для следующих испытаний.

Рис. 3. Отображение временной и частотной области

Выявление источников шума

В качестве примера, рассмотрим измерения радиочастотного спектра со средним значением 868 МГц и относительно низкой пропускной способностью 2 кбит FSK модуляции. На рис. 3 изображен эталонный спектр. Обратите внимание, что MDO4000 одновременно отображает временную и частотную области, а все сигналы корелированы по времени. В нижней части отображается сигнал с РЧ входа в частотной области, в нашем случае - выход передатчика, а верхняя часть служит для традиционного представления сигналов во временной области. Спектр в частотной области является частью временного отрезка (короткая оранжевая линия во временной области), называемого "Spectrum Time".

Так как горизонтальная шкала на экране временной области не зависит от количества времени, необходимого для выполнения преобразования Фурье, на экране частотной области, важно определить реальный отрезок времени, требуемый для захвата РЧ сигнала. Уникальная архитектура осциллографа серии MDO4000 позволяет захватывать кореллированные по времени сигналы на всех входных каналах (цифровых, аналоговых и радиочастотных). Каждый вход имеет собственную память, и в зависимости от развертки по горизонтальной шкале во временной области, сохраненный в памяти РЧ сигнал можно просмотреть премещая "Spectrum Time", как показано на рис. 4.

Рис. 4. Измерение мощности в течение нескольких символов преамбулы при помощи лабораторного источника питания

Рис. 5. Спектр во время передачи пакета

На осциллографах серии MDO4000 индикатор «Spectrum Time» можно перемещать по области захвата для наблюдения/выявления изменений РЧ спектра. На рис. 4 индикатор «Spectrum Time» использован для отображения спектра передаваемого сигнала в течении нескольких символов преамбулы передаваемого пакета данных. Индикатор «Spectrum Time» - это время, необходимое для обеспечения желаемого разрешения (RBW) отображаемого спектра. Это эквивалентно отношению фактора формы окна к RBW. Для установленного по умолчанию окна Кайзера фактор формы равен 2,23, таким образом Spectrum Time будет равняться 2,23/220 Гц или приблизительно 10 мс в данном примере. Так как для модуляции FSK характерно наличие только одной частоты РЧ сигнала во времени, то более длительное время захвата преамбулы используется для спектра, чтобы позволить измерять такие параметры, как занимаемая полоса и общая мощность.

Для упрощения просмотра передачи пакета, в возможности отображения трасс были добавлены зависимости амплитуды, частоты и фазы от времени. Оранжевая осциллограмма, отмеченная маркером "А" показывает мгновенную зависимость амплитуды подаваемого РЧ сигнала от времени. Оранжевая осциллограмма, помеченная как "f" показывает мгновенную зависимость частоты РЧ сигнала от времени, относительно центральной частоты. Зеленая осциллограмма (канал 4) отображает ток.

Ток возрастает от практически нулевого значения между пакетами до почти 40 мА в режиме передачи. Желтая осциллограмма (канал 1) демонстрирует колебания переменного тока на модуле напряжения источника питания. Обратите внимание, что в режиме передачи падение напряжения минимальное. На рис. 5 изображен тот же сигнал, захваченный в процессе передачи данных пакета. Следует отметить, что значительная часть энергии находится в более низкой частоте. Оба изображения (рис.4 и рис.5) были сделаны при помощи модуля, работающего от лабораторного источника питания.

Источник:  Tektronix