全球趨勢下無線嵌入式系統(tǒng)的系統(tǒng)級設(shè)計和檢驗

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上運行的標準化無線電（如藍牙、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?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)字數(shù)據(jù)解碼）以及高達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，當國家法規(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。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頻譜的時間關(guān)聯(lián)，這種能力在單獨的示波器和標準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)字數(shù)據(jù)對準的頻譜。

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.