全球趨勢(shì)下無(wú)線嵌入式系統(tǒng)的系統(tǒng)級(jí)設(shè)計(jì)和檢驗(yàn)

設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)無(wú)線系統(tǒng)的一個(gè)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(wú)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(wú)線電控制和遙測(cè)應(yīng)用使用的那部分頻段。

對(duì)某些應(yīng)用來(lái)說(shuō)，在2.4GHz上運(yùn)行的標(biāo)準(zhǔn)化無(wú)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(duì)其它應(yīng)用而言，改進(jìn)大樓穿透力、降低干擾、減少低頻無(wú)線電的能耗可能是更好的選擇。在這種情況下，設(shè)計(jì)人員的任務(wù)是優(yōu)化和檢驗(yàn)無(wú)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(wú)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(gè)設(shè)置寄存器來(lái)實(shí)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(chǎng)對(duì)于功率、頻率和占用帶寬等的要求，工程師必須能夠檢驗(yàn)無(wú)線電的射頻運(yùn)行并確認(rèn)發(fā)送到無(wú)線電的命令和數(shù)據(jù)是正確的。

過去，這是一項(xiàng)很難的任務(wù)，不但需要關(guān)聯(lián)無(wú)線電發(fā)射機(jī)的RF輸出，同時(shí)還要讀取控制信號(hào)。這些控制信號(hào)包括能夠觸發(fā)和解碼SPI和其它總線，測(cè)量吸收電流、電源電壓及其它模擬信號(hào)和數(shù)字信號(hào)。一般來(lái)說(shuō)，這需要結(jié)合使用示波器和頻譜分析儀進(jìn)行測(cè)量，然后手動(dòng)關(guān)聯(lián)捕獲的信號(hào)。最近，泰克推出業(yè)內(nèi)第一個(gè)、也是唯一一個(gè)商用混合域示波器（MDO），把示波器和頻譜分析儀融合在一臺(tái)儀器中。在本文中，我們將介紹如何使用這一儀器，并促進(jìn)北美和歐洲地區(qū)的無(wú)線電集成電路優(yōu)化。

了解法規(guī)

在大樓中傳播信號(hào)時(shí)，無(wú)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(jìn)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(duì)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(wú)線電系統(tǒng)允許在868MHz范圍內(nèi)工作，發(fā)射足夠的功率來(lái)涵蓋大樓內(nèi)幾百英尺的范圍，在某些國(guó)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(duì)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(duì)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(hào)必須擴(kuò)散到至少500 kHz的頻譜中，進(jìn)一步限制了峰值功率。北美市場(chǎng)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(hào)有某些劣勢(shì)，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(hào)中低得多的功率電平相比，更寬的帶寬及更高的發(fā)射機(jī)功率可以用于更長(zhǎng)的量程。

我們選擇使用MRF89XAM8A模塊上的Microchip Technologies MRF89XA集成電路，來(lái)闡述部分集成問題并確認(rèn)正確運(yùn)行所需的測(cè)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(jī)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(shí)顯示直到1GHz帶寬的多個(gè)模擬信號(hào)、16個(gè)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(hào)。所有這些信號(hào)都可以時(shí)間相關(guān)，顯示控制信號(hào)和模擬信號(hào)對(duì)RF時(shí)域和頻域的影響。

為了演示需要測(cè)量的信號(hào)并保證兩種發(fā)射機(jī)模式正確運(yùn)行，我們使用Microchip Explorer 16演示電路板來(lái)控制無(wú)線電模塊并連接示波器。圖1說(shuō)明了使用的設(shè)置。

圖1 – 被測(cè)器件（Microchip MRF89XA模塊）和混合域示波器之間的測(cè)試連接。

性能設(shè)置和測(cè)量

對(duì)歐洲大部分地區(qū)來(lái)說(shuō)，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(duì)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(gè)信號(hào)的頻譜約為4ms,以及同一時(shí)間刻度上的多條時(shí)域曲線。頻譜時(shí)間（Spectrum Time）由窗口整形因數(shù)除以解析帶寬（RBW）確定。在這個(gè)實(shí)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(shí)間約為4ms.頻域畫面中還顯示了總功率和占用帶寬測(cè)量數(shù)據(jù)。

圖2 – 時(shí)域和頻域視圖和測(cè)量。

在前置碼期間測(cè)得的占用帶寬為98kHz,滿足FSK信號(hào)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(guó)家法規(guī)允許時(shí)，通過使用匹配更好的高增益天線或簡(jiǎn)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(hào)的幅度。注意在集成電路啟動(dòng)時(shí)，電流剛開始時(shí)上升了幾mA.只有在電流達(dá)到整整40mA時(shí)，我們才能看到RF信號(hào)。

頻率隨時(shí)間變化曲線用橙色曲線f表示，顯示出每格50kHz時(shí)信號(hào)FSK調(diào)制的頻率偏差。這也驗(yàn)證了頻譜（頻域）及時(shí)域中預(yù)計(jì)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(diǎn)的時(shí)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(shí)間變化曲線中符號(hào)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(shí)間關(guān)聯(lián)，這種能力在單獨(dú)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(tái)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(shí)的符號(hào)能量主要來(lái)自FSK調(diào)制信號(hào)的較低頻率。

查看從微控制器發(fā)送到無(wú)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(wú)線電模塊，可以打開SPI總線解碼，查看與數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)對(duì)準(zhǔn)的頻譜。

MDO設(shè)置成在屏幕中采集100萬(wàn)樣本點(diǎn)。盡管數(shù)字信號(hào)很快，但使用卷動(dòng)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(shí)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(gè)畫面中，頻譜時(shí)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(jī)行為，因?yàn)樗ㄓ孟陆档墓β孰娖斤@示的RF信號(hào)為ON和OFF時(shí)的樣點(diǎn)。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(dòng)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(duì)字節(jié)讀取通用配置寄存器，在SPI（MISO）行中返回值30.第二對(duì)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(jī)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(wú)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(jī)輸出的頻率偏差。SPI觸發(fā)將設(shè)置成觸發(fā)一個(gè)兩字節(jié)字符，第一個(gè)字節(jié)是命令?？梢栽贛RF89XA無(wú)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(gè)畫面中評(píng)估SPI命令和RF事件之間的開機(jī)時(shí)延。其實(shí)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(shí)基（200μs/div），使用放大功能來(lái)測(cè)量SPI命令的影響。在通道4（綠色曲線）上測(cè)量吸收電流，頻率隨時(shí)間變化趨勢(shì)（橙色曲線）表明RF信號(hào)出現(xiàn)時(shí)間大約遲了700μs.