揪出無線嵌入式系統內雜訊　混合域示波器游刃有餘

找出雜訊的來源，變得前所未有地容易。但是，在加入無線功能後，嵌入式系統變得更加複雜，在找出雜訊來源方面，設計人員也面臨前所未有的障礙。而目前還必須面對一個事實--無線無所不在。據估計，今日的世界約使用超過十億個無線裝置，而且有超過30%的嵌入式設計，現在包含無線功能，這個數字每天還在持續增加。

在嵌入式系統中加入無線功能時，有多種整合時通常會遇到問題。電池供電的系統通常會使用切換式穩壓器，以最低的成本達到最高的實際效率。電源供應器的尺寸大小也經常是個問題，可能會因而使用高切換頻率，以將尺寸與輸出濾波的需求減到最小。這些電源供應器的輸出電壓上常有漣波，這可能會出現在射頻(RF)發送器輸出中，特別是在高負載或電池電力不足的情況下。為避免這種情況，即使會造成超預期的成本或尺寸，可能也需要額外的電源供應器濾波，以避免不想要的損壞加在無線電訊號中。

無線電晶片或模組的硬體電路與軟體配置，會影響到所傳送訊號的品質。若未經過適當地設定和濾波，無線電可能會干擾其他的無線電系統，而且可能也無法符合適用的主管機關法規。某些無線電系統將需要通道濾波器、射頻表面聲波或其他相對昂貴的濾波器，以配合主管機關對超出通道與頻帶範圍發射的規定。

嵌入式設計師的首選工具示波器，只適合用來進行時域量測。混合訊號示波器可同時量測類比與數位訊號，但仍難以有效地使用示波器，量測射頻載波的射頻訊號。正確地建立時域和頻域事件的關聯，也非常地困難，但這是找出系統級問題的關鍵。

雖然大部分嵌入式設計人員可以使用頻譜分析儀進行頻域中的量測，但這並非首選工具。使用頻譜分析儀對系統其他部分進行時間關聯量測，幾乎是不可能的。

本文將說明一些技術與技巧，使用所謂的新型儀器混合域示波器(MDO)，找出雜訊的來源。太克(Tektronix)最近推出混合域示波器，此處的範例採用MDO4000系列，此示波器能夠同時顯示四個類比訊號、十六個數位波形、多達四個解碼的串列和(或)並列匯流排，以及一個射頻訊號。針對所有的這些訊號，全部都建立時間關聯，以顯示控制訊號對類比域和射頻域的影響。

在鑽研混合域示波器使用的實作範例前，先檢視此種示波器背後的重要概念，應該很有幫助。在找出雜訊來源方面，混合域示波器的主要價值，就是能跨兩種域進行時間關聯量測的功能：時域和頻域。此外，它也能跨多個類比、數位與射頻訊號，進行這些量測。

所謂的時間關聯，代表混合域示波器能夠量測所有輸入之間的時序關係。例如，可量測控制訊號到無線電傳輸開始之間的時間、量測已傳送無線電訊號的上升時間，或是量測無線資料串符號之間的時間。而裝置狀態變化期間的電源供應器電壓降，可加以分析，並與對射頻訊號的影響建立關聯。若要了解完整的系統運作，或是原因和影響，時間關聯非常地重要。

時域訊號是最好以振幅對時間圖來檢視的訊號，這些訊號傳統上是使用示波器進行量測。以振幅對時間圖方式檢視訊號，有助於找出一些問題的答案。時域訊號並不限於類比輸入。檢視射頻振幅、頻率和相位對時間的關係，可研究簡單的射頻訊號類比調變、啟動和平復現象。

頻域訊號則是最好以振幅對頻率圖來檢視的訊號，這些訊號傳統上是使用頻譜分析儀進行量測。以振幅對頻率圖方式檢視訊號，有助於找出某些問題的答案。

實地量測無線嵌入式系統

下列討論的待測裝置，將使用已內建於模組的彈性無線電積體電路--微芯(Microchip) MRF89XM8A來進行無線電測試。此模組採用MRF89XA無線電積體電路，以及濾波和天線匹配功能。為便於示範，將此模組安裝於微芯Explorer 16板上，並搭配個人電腦(PC)使用，進行無線電的設定。

圖1　待測裝置(微芯MRF89XA 868MHz無線電)與混合域示波器間的測試連接

為便於參考，無線電頻譜的量測中心對準868MHz，並採用相對低的2kBit/s FSK調變資料速率。圖2顯示參考頻譜，請注意，混合域示波器同時顯示時域視圖(Time Domain Display)與頻域視圖(Frequency Domain Display)，並為所有訊號建立時間關聯。畫面的下半部顯示射頻訊號的頻域視圖，在此例中為無線電發送器輸出；畫面上半部則是傳統的示波器時域視圖。頻域視圖中所顯示的頻譜，是根據時域視圖中的短橙色條顯示的時間週期，亦即頻譜時間(Spectrum Time)來擷取。

圖2　檢視時域和頻域

由於時域顯示的水平刻度，不受處理頻域顯示的快速傅立葉轉換(FFT)所需的時間長短影響，因此顯示射頻擷取相關的實際時間長短，就非常地重要。混合域示波器可針對所有輸入如數位、類比和射頻，分別進行時間關聯擷取。每個輸入都擁有不同的記憶體，而且取決於時域顯示的水平擷取時間，記憶體中擷取的射頻訊號可顯示頻譜時間，並可在如圖3所示的類比時間顯示內移動。

圖3　封包標頭數個符號其間顯示的占用頻寬功率量測(使用乾淨的實驗室電源供應器)

可瀏覽擷取資料的頻譜時間，以調查射頻頻譜如何隨時間而變化，在圖3中放置頻譜時間，以顯示在封包標頭數個符號期間的傳送訊號頻譜。頻譜時間是達到頻譜顯示所需要的解析度頻寬(RBW)全部的時間，等於視窗形狀因數除以解析度頻寬。預設的Kaiser視窗具有2.23的形狀因數，因此頻譜時間為2.23/220Hz或是本例中的約10毫秒(ms)。

FSK的調變一次只有射頻訊號的一個頻率，此例頻譜則使用更長的標頭擷取時間，以量測占用頻寬和總功率。

為便於檢視來自無線電的封包傳輸資料，時域視圖中加入射頻對時間軌跡圖。標記A的橙色軌跡顯示瞬時射頻振幅隨時間變化；標記f的橙色軌跡顯示瞬時射頻頻率隨時間變化(相對於顯示畫面的中心頻率)。綠色軌跡(通道4)顯示進入模組的電流。如圖所示，電流從封包間的接近0，上升到傳輸時的約40毫安培(mA)。黃色軌跡(通道1)顯示模組電源供應器電壓上的交流漣波。在傳輸期間電壓僅稍微下降。

進行先前擷取所使用的模組，是由乾淨的實驗室電源供應器供電，這在現實中雖然少見，但仍可作為參考。圖4顯示相同的射頻訊號，但以升壓型交換式電源供應器來供電給無線電模組。升壓轉換器以產生雜訊而惡名昭彰，但可使用電池如一或二顆鹼性電池或鎳鎘電池，以及相對少的元件數來降低成本，在這點上具有價值。如圖所示，經過調變訊號底部的雜訊增加。靠近傳送訊號，出現比使用乾淨電源供應器高出至少5分貝(dB)的雜訊。在電流與電壓波形中，雜訊也顯而易見。對於用來從這台發送器蒐集資料的接收器，其他雜訊也會影響其訊號的訊號對雜訊比，減少無線電系統的有效範圍。

圖4　使用交換式電源供應器進行頻譜與電源供應量測

來自電源供應器的雜訊，可使用市售的電磁干擾(EMI)、電流探棒(用來觀察圖5中切換器產生的雜訊)進行量測。在此例中，電阻和小的電容讓切換器產生負載。混合域示波器的自動標記功能，可用來針對電源供應器發出的七個主要訊號，顯示頻率和振幅。此儀器可提供多達十一種自動標記，並以絕對值顯示這些結果，或參照作為delta值的最大訊號。圖中圈選參考標記顯示最高的值。基本頻率與第二諧波約為同樣位準，約30dBuA。畫面上半部顯示MCP1640晶片中切換電晶體處的波形。量測功能是用來顯示切換頻率，以確認射頻標記量測。

圖5　進入假設負載的電源供應器切換雜訊

當電源供應器驅動射頻電路板，雜訊功率的時域與頻域顯示會改變。圖6顯示同樣的電源供應雜訊加上其他訊號。此處的第二諧波變少，但有許多其他的低階雜訊。這些雜訊有些可能會干擾到無線電接收器的運作，須要仔細地評估。

圖6　電源供應器與使用升壓轉換器的電路板雜訊

這款數位板可產生如圖7所示的雜訊。可使用簡單的電線探棒來檢視此種雜訊的來源、振幅和頻率。此處顯示220MHz範圍的嚴重雜訊。自動標記顯示868MHz的傳送訊號，以及最高階的未預期訊號。手動標記是用來量測最高階雜訊的頻率範圍。手動標記中顯示的量測，也包含感興趣訊號的雜訊密度。了解這類雜訊功率非常重要，因為視無線電接收器的架構而定，接收器的靈敏度會受到各種頻率的雜訊影響。

圖7　使用升壓轉換器時，來自數位板的寬頻譜雜訊。

無線電帶來雜訊問題

在嵌入式系統中加入無線電系統時，也可能會有無線電產生雜訊的問題，這些雜訊不是干擾系統的其他部分，就是不符合法規對於無線電訊號的限制。諸如占用頻寬和總傳輸功率的量測，也有助於評估是否符合法規。

圖8顯示所要訊號的頻譜，以及鄰近頻率中的寄生傳輸。圖中位於基本頻率兩側的一些寄生訊號約為500kHz，但低於基本頻率40dB，因此符合大部分的法規。圖中也顯示1.4dBm的量測訊號功率，以及94.5kHz的占用頻寬，後者符合典型100kHz可接受頻寬的範圍。

圖8　基本訊號周圍以外的通道頻譜

下一步是使用和圖8中基礎頻率相同的量測來檢視第二諧波。從本例中發現第二諧波處的功率位準，比基礎頻率稍微低40dB，而占用頻寬則是基礎頻率頻譜頻寬的兩倍。圖9顯示無線電系統中經常最為頭痛的第三諧波。不過，在此頻率下，訊號降至極低的雜訊功率位準，約-60dBc左右，相對於載波。

圖9　第三諧波的頻譜

接下來就有可能在此頻帶中，進行最高至第六諧波的量測。在此頻率下，此無線電具有不到-80dBm、幾乎微不足道的發射。

混合域示波器面面俱到

在嵌入式系統中納入無線通訊功能時，有多項重要的問題須要注意。這些問題包括電源供應器切換雜訊的影響、正確設定無線電積體電路的操作參數，以及確保傳送的輸出符合適用的無線電法規。

運用混合域示波器檢視時間關聯訊號的能力，設計人員可有效率地進行診斷，並測試電源供應器和其他雜訊影響。這款儀器能夠確認傳送至無線電的資料命令是否設定正確，也能檢查來自發送器與其他電路的寄生發射訊號，可用來量測高達6GHz的射頻訊號。在檢視交換式電源供應器與數位電路的較低頻雜訊時，時間關聯擷取功能也非常地有幫助。

(本文作者任職於太克)