在设计全球部署的嵌入式无线技术时,考虑不同地区的 法规要求非常重要。无线电法规在世界各地各不相同,某些频率对开放频段的无线通信设备控制和遥测最有吸引力。对某些应用,在2.4 GHz 上工作的标准化通信设备(如蓝牙、ZigBee 或Wi-Fi)几乎可以用于世界上任何地方。但对其它应用,低频无线电更强的楼层穿透能力、更低的干扰及更低的能耗可能要更具吸引力。本应用指南将演示使用泰克MDO4000系列混合域示波器来设计、检验和优化射频集成电路(IC),这些电路用于相同的应用,但应用的地区不同,分别是欧洲和北美。
图1. 泰克MDO4000 系列混合域示波器和Microchip 无线电测试电路板模块。
为900 MHz频段无线电选择频率、功率和运行带宽
目前,900 MHz范围内的开放频段有许多非常灵活的射频集成电路和模块。由于较低频率上的传播特点,900 MHz频段的楼层穿透能力要远远优于2.4 GHz 频段。这些开放频段射频技术可以用于世界上大部分地区,但必须采用不同的配置,以满足本地法规。
在欧洲大部分地区,开放频段的无线电系统允许在868MHz 范围内工作,拥有足够的功率,在某些国家和频段中可以以25 mW或更高的发射机功率覆盖大楼内几百英尺的距离。这些系统还必须拥有有限的占用带宽,因为法规中提供的频谱段相对较窄。
相比之下,在北美,915 MHz 周围开放频段的频谱分配范围相对较大(902 - 928 MHz)。但是,为了以几分之一毫瓦的功率发送,信号必须占用到至少500 kHz 的信道中,并限制峰值功率。北美市场允许在900 MHz 的频段中选择窄带低功率应用,或功率较高的宽带应用。还可以采用跳频,但这要求控制软件一般要比宽带(数字)调制复杂得多。尽管使用带宽较宽的信号有某些劣势,但它可以提供更高的数据吞吐量。与北美允许的窄带信号中低得多的功率电平相比,更宽的带宽及更高的发射机功率可以用于更长的距离。
图2. 被测器件(Microchip MRF89XA 模块)和MDO4000 系列混合域示波器之间的测试连接。 ...
图2. 被测器件(Microchip MRF89XA 模块)和MDO4000 系列混合域示波器之间的测试连接。
我们选择使用MRF89XAM8A 块上的Microchip Technologies MRF89XA IC,来阐述部分集成问题及确认正确运行所需的测试。除在工作模式上灵活性大以外,这种集成电路的接收机能耗低,适合用于电池供电的应用。为方便起见,我们使用为868 MHz 频段优化的同一模块,但北美需要的元件一般会略有不同。
我们使用泰克MDO4000 系列混合域示波器执行测量。MDO4000 拥有独特的功能,能够同时显示高达1 GHz带宽的4 路模拟信号、16 个数字波形、最多4 条解码的串行总线和/或并行总线以及一个高达6 GHz的RF信号。所有这些信号都在时间上相关,显示控制信号和模拟信号对RF 时域和频域的影响。
为了演示需要测量的信号,以保证两种发射机模式正确运行,我们使用Microchip Explorer 16 演示电路板,控制无线电模块,简便地连接示波器。图2说明了这些测试使用的设置。
图3. 电流探头(通道4)上触发的低功率无线电的时域画面和频域画面。
图3. 电流探头(通道4)上触发的低功率无线电的时域画面和频域画面。
性能设置和测量
基于ETSI EN300 220规定的欧洲设置- 对欧洲大部分地区来说,在868 MHz 频段中,允许最高25 mW 的功率,带宽一般为100 kHz (视特定子频段而定)。对这一系统,我们把它设置成以每秒5 kb速率发送FSK调制数据(频移键控),频率偏差为33 kHz。
图3 显示了MDO4000 系列的时域画面和频域画面。画面上半部分显示了电源电压(通道1, 黄色曲线)和电流(通道4, 绿色曲线)的传统时域图。画面的下半部分显示了RF 输出的时间相关视图。在本例中,发射机输出显示的时间要略迟于发射机启动时间。通过在关心的频率跨度中在RF 采集输入上执行快速傅立叶变换(FFT),计算得出频谱。这是基于矢量信号分析的频谱分析仪的一项常用技术,与传统扫频分析仪相比,能够在非常短的一套采集数据上提供频率信息。
图3 中的橙色条显示的频谱时间为4ms,对应的是前置码部分传输过程中射频信号的频谱,以及同一时间刻度上多条时域曲线。频谱时间通过把窗口整形因数除以分辨率带宽(RBW)确定。在这个实例中,默认的KaiserWindow 函数及2.23 的整形因数和550 Hz RBW 要求的采集时间约为4 ms。频域画面还显示了总功率和占用带宽测量数据。相比之下,对类似的RBW 和跨度设置,普通扫频分析仪可能要用几秒钟的时间扫描频谱。这种持续时间不到40 ms的RF突发事件发生得太快,不能使用传统频谱分析仪分析。
图4. 现在增加相关的RF 幅度随时间变化曲线和频率随时间变化曲线,显示这个事件与FSK 无线电的发射机启动及 ...
图4. 现在增加相关的RF 幅度随时间变化曲线和频率随时间变化曲线,显示这个事件与FSK 无线电的发射机启动及前置码部分相关。
图4 在时域画面中增加了射频信号幅度随时间变化轨迹和频率随时间变化轨迹。由于MDO4000 系列示波器RF采集功能采集RF 时间记录,可以使用数字下变频过程,生成I (实数)和Q (虚数)数据。每个I 和Q 数据样点表示当前中心频率RF输入的瞬时偏差。通过这一分析,可以在同一套数据上计算出射频信号幅度和频率随时间变化,并在与其它模拟通道和数字通道时间相关的视图中予以显示。
图4 演示了这个信号是FSK 调制信号,频谱时间在这个FSK 调制的射频信号的前置码部分采集。分辨率带宽(RBW)设置为足够长的采集,以捕获FSK 信号的两个频率,使用RF 峰值检波器测量占用带宽和带内功率。
在前置码期间测得的占用带宽为98 kHz,满足这个FSK调制的技术数据。输出功率1.4 dBm (刚好大于1 mW)低于目标,但通过更好匹配或简单的功放,可以简便地提高到25 mW (或在国家法规允许时提高到更高)。与前面图3 一样,在屏幕的上半部分,绿色曲线(曲线4)是射频模块吸收的电流。黄色曲线(曲线1)显示了为模块提供的电压。曲线“A”是射频信号幅度随时间变化的轨迹。注意在射频电路启动时,电流一开始时上升了几mA。只有在电流完全达到40 mA 时,RF 信号才开始发射。
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