設(shè)計和實現(xiàn)無線系統(tǒng)的一個重大挑戰(zhàn)是使之能夠用于世界不同地區(qū)。在使用的頻率、調(diào)制類型、功率電平和帶寬方面,全球并沒有達(dá)成一致。無線電法規(guī)在不同地區(qū)之間差異很大,特別是在沒有牌照的無線電控制和遙測應(yīng)用使用的那部分頻段。
對某些應(yīng)用來說,在2.4GHz上運行的標(biāo)準(zhǔn)化無線電(如藍(lán)牙、ZigBee或Wi-Fi)幾乎可以用于世界上任何地方。然而對其它應(yīng)用而言,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(shè)計人員的任務(wù)是優(yōu)化和檢驗無線電集成電路,使得這些集成電路能夠用于相同應(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,通過數(shù)十個設(shè)置寄存器來實現(xiàn), 可以優(yōu)化用于北美和歐洲地區(qū)。為了滿足不同市場對于功率、頻率和占用帶寬等的要求,工程師必須能夠檢驗無線電的射頻運行并確認(rèn)發(fā)送到無線電的命令和數(shù)據(jù)是正確的。
過去,這是一項很難的任務(wù),不但需要關(guān)聯(lián)無線電發(fā)射機的RF輸出,同時還要讀取控制信號。這些控制信號包括能夠觸發(fā)和解碼SPI和其它總線,測量吸收電流、電源電壓及其它模擬信號和數(shù)字信號。一般來說,這需要結(jié)合使用示波器和頻譜分析儀進行測量,然后手動關(guān)聯(lián)捕獲的信號。最近,泰克推出業(yè)內(nèi)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,我們將介紹如何使用這一儀器,并促進北美和歐洲地區(qū)的無線電集成電路優(yōu)化。
了解法規(guī)
在大樓中傳播信號時,無線電集成電路在900MHz頻段范圍內(nèi)的效率要高于2.4GHz頻段。這些集成電路可以用于世界上大部分地區(qū),靈活地進行不同配置并滿足當(dāng)?shù)胤ㄒ?guī)。首先,應(yīng)清楚地了解針對的不同地區(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868MHz范圍內(nèi)工作,發(fā)射足夠的功率來涵蓋大樓內(nèi)幾百英尺的范圍,在某些國家和頻段中甚至可以達(dá)到25mW或更高的發(fā)射功率 .由于法規(guī)中允許的頻段相對較窄,這些系統(tǒng)只能占用有限的頻譜帶寬。
相比之下,在北美,915MHz周圍沒有牌照的頻譜分配范圍相對較大(902~928MHz)。但是,為了以幾分之一毫瓦以上的功率發(fā)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(yīng)用或者900MHz頻譜中較高功率的寬帶應(yīng)用。還可以采用跳頻,但所要求的軟件要比寬帶(數(shù)字)調(diào)制復(fù)雜得多。盡管使用帶寬較寬的信號有某些劣勢,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中低得多的功率電平相比,更寬的帶寬及更高的發(fā)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集成電路,來闡述部分集成問題并確認(rèn)正確運行所需的測試。除在工作模式上具有較大靈活性以外,這種集成電路的接收機能耗低,適合用于電池供電的應(yīng)用。為方便起見,我們使用為868 MHz頻段優(yōu)化的模塊,與北美需要的元件略有不同。
在儀器一側(cè),我們使用泰克MDO4104-6混合域示波器。它能夠同時顯示直到1GHz帶寬的多個模擬信號、16個數(shù)字波形(包括數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)解碼)以及高達(dá)6GHz的RF信號。所有這些信號都可以時間相關(guān),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并保證兩種發(fā)射機模式正確運行,我們使用Microchip Explorer 16演示電路板來控制無線電模塊并連接示波器。圖1說明了使用的設(shè)置。
圖1 – 被測器件(Microchip MRF89XA模塊)和混合域示波器之間的測試連接。
性能設(shè)置和測量
對歐洲大部分地區(qū)來說,在868MHz頻段中最高允許 25mW的發(fā)射功率,其帶寬一般為100kHz(視特定子頻段而定)。對這一系統(tǒng),把它設(shè)置成以每秒5kb速率發(fā)送FSK(頻移鍵控),標(biāo)稱偏差為33kHz.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的多條時域曲線。頻譜時間(Spectrum Time)由窗口整形因數(shù)除以解析帶寬(RBW)確定。在這個實例中,Kaiser Window函數(shù)的整形因數(shù)值為2.23,RBW為550Hz, 要求的采集時間約為4ms.頻域畫面中還顯示了總功率和占用帶寬測量數(shù)據(jù)。
圖2 – 時域和頻域視圖和測量。
在前置碼期間測得的占用帶寬為98kHz,滿足FSK信號的技術(shù)規(guī)范。1.4dBm的輸出功率(剛剛大于1mW)低于目標(biāo),當(dāng)國家法規(guī)允許時,通過使用匹配更好的高增益天線或簡單的功放器,能夠方便的將功率提高到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(dá)到整整40mA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,顯示出每格50kHz時信號FSK調(diào)制的頻率偏差。這也驗證了頻譜(頻域)及時域中預(yù)計的+/-33kHz偏差。
在圖3中,橙色條新的位置表示在數(shù)據(jù)包晚一點的時候獲得的頻譜。在相同的輸出功率下,更多的能量位于較低的調(diào)制頻率上,這與頻率隨時間變化曲線中符號包表示的數(shù)據(jù)一致?梢允褂眠@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頻譜的時間關(guān)聯(lián),這種能力在單獨的示波器和標(biāo)準(zhǔn)頻譜分析儀中很難復(fù)現(xiàn)。還有一種選擇是打印輸出并將屏幕重疊在一起。這將保證兩臺儀器能夠一起觸發(fā),雖然很難,但不是不可能。
圖3 – 頻譜位于數(shù)據(jù)包遲一些的地方,這時的符號能量主要來自FSK調(diào)制信號的較低頻率。
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)對準(zhǔn)的頻譜。
MDO設(shè)置成在屏幕中采集100萬樣本點。盡管數(shù)字信號很快,但使用卷動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)。在屏幕的時域部分底部,現(xiàn)在還可以看到數(shù)據(jù)的數(shù)字版本。
圖4 – 解碼后的數(shù)據(jù)和數(shù)字波形。
在這個畫面中,頻譜時間(Spectrum Time)現(xiàn)在包括從預(yù)觸發(fā)中采樣的數(shù)據(jù)及開機行為,因為它包括用下降的功率電平顯示的RF信號為"ON"和"OFF"時的樣點。通過為命令選擇解碼行,而不是數(shù)據(jù),可以用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(jié)讀取通用配置寄存器,在SPI(MISO)行中返回值30.第二對字節(jié)00 30在868MHz頻段中,把地址0上的通用配置寄存器設(shè)置成待機模式。
圖5 – 解碼后的命令和數(shù)字波形。
這種方法適合確認(rèn)無線電集成電路是否得到正確設(shè)置 .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)射機輸出的頻率偏差。SPI觸發(fā)將設(shè)置成觸發(fā)一個兩字節(jié)字符,第一個字節(jié)是命令?梢栽贛RF89XA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。
如圖6所示,可以在一個畫面中評估SPI命令和RF事件之間的開機時延。其實現(xiàn)方式為:使用SPI(MOSI)觸發(fā)條件,設(shè)置頻率偏差,改變水平時基(200μs/div),使用放大功能來測量SPI命令的影響。在通道4(綠色曲線)上測量吸收電流,頻率隨時間變化趨勢(橙色曲線)表明RF信號出現(xiàn)時間大約遲了700μs.
圖6. 觸發(fā)SPI(MOSI)命令,查看頻率隨時間變化曲線。
北美設(shè)置基于FCC rule 15.247規(guī)定
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)。盡管這可以實現(xiàn)更快的數(shù)據(jù)傳輸,但有效的接收機靈敏度會下降。為實現(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+/-200kHz.
在圖7中,顯示了數(shù)據(jù)包前置碼期間的頻譜,F(xiàn)在占用帶寬超過500kHz,因此滿足法規(guī)要求。時域頻率隨時間變化-曲線 "f,"顯示了預(yù)期的+/- 200kHz偏差。另外,可以注意到電流(綠色曲線4)和RF幅度(曲線A)信號相互追蹤。
圖7 – 寬帶頻譜和測量。
下一步,我們將查看同一信號而不僅是比較數(shù)據(jù)部分的頻譜。在本例中,占用帶寬小于前置碼期間。這一測量對確定是否仍滿足法規(guī)非常重要。 通過觸發(fā)偏差命令,可以確定偏差值。在本例中,偏差為01,對應(yīng)200kHz,這是這一無線電集成電路允許的最寬設(shè)置。
本文小結(jié)
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)十個設(shè)置寄存器,實現(xiàn)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(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(shù)字信號。為確認(rèn)發(fā)送的數(shù)據(jù),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(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方式。
來源:電子工程專輯