全球趋势下无线嵌入式系统的系统级设计和检验

Darren McCarthy，泰克公司

设计和采样无线系统，以便能够用于世界不同地区，带来了一个重大挑战。如果大家能够就使用的频率、调制类型、功率电平和带宽达成一致，结果不是很好吗？遗憾的是，这们生活的世界并不是这样的，无线电法规在不同地区之间变化很大，特别是没有牌照的无线电控制和遥测应用使用的部分频率。

对某些应用来说，在2.4 GHz上运行的标准化无线电 (如蓝牙、ZigBee或Wi-Fi)可以几乎用于世界上任何地方。但是，对其它应用来说，改进大楼穿透力、降低干扰、减少低频无线电的能耗可能是更好的选择。在这种情况下，设计人员的任务是优化和检验无线电集成电路，这些集成电路用于相同应用，但用于不同地区。

本文考察了嵌入式无线电集成电路和模块技术，这些技术非常灵活，可以优化用于北美和欧洲地区。这些无线电集成电路和模块一般拥有数十个设置寄存器，实现了这种灵活性。为了满足不同市场要求，包括功率、频率和占用带宽，工程师必须能够检验无线电的RF运行，确认发送到无线电的命令和数据是正确的。

过去，这是一项很难的任务，因为需要关联无线电发射机的RF输出，同时读取控制信号，包括能够触发和解码SPI和其它总线，以及测量吸收电流、电源电压及其它模拟信号和数字信号。一般来说，这需要结合使用示波器和频谱分析仪进行测量，然后手动关联捕获的信号。最近，泰克推出业内第一个、也是唯一一个商用混合域示波器(MDO)，把示波器和频谱分析仪融合在一台仪器中。在本文中，我们将说明可以怎样使用这一仪器，促进北美和欧洲地区的无线电集成电路优化。

了解法规

在大楼中传播信号时，900 MHz范围内的无线电集成电路的效率要高于2.4 GHz频段的集成电路。这些集成电路可以用于世界上大部分地区，可以灵活地进行不同配置，满足当地法规。首先，应清楚地了解您针对的不同地区允许使用哪些频段。

在欧洲大部分地区，没有牌照的无线电系统允许在868 MHz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涵盖大楼内几百英尺的范围。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周围没有牌照的频谱分配范围相对较大(902 - 928 MHz)。但是，为了以几分之一毫秒以上的功率发送，信号必须扩散到至少500 kHz的频谱中，进一步限制了峰值功率。北美市场允许选择窄带低功率应用，或900 MHz频谱中较高功率的宽带应用。还可以采用跳频，但这要求的软件一般要比宽带(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量程。

我们选择使用MRF89XAM8A模块上的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。

在仪器一侧，我们使用泰克MDO4104-6混合域示波器。它能够同时显示直到1 GHz带宽的多个模拟信号、16个数字波形(包括数字数据解码)以及高达6 GHz的RF信号。所有这些信号都可以时间相关，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，允许连接示波器。图1说明了使用的设置。

图1 – 被测器件(Microchip MRF89XA模块)和混合域示波器之间的测试连接。

性能设置和测量

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，把它设置成以每秒5 kb速率发送FSK (频移键控)，标称偏差为33 kHz。图2中的橙色条显示了前置码部分传输期间捕获的这个信号的频谱约为4ms，以及同一时间刻度上多条时域曲线。Spectrum Time通过把窗口整形因数除以解析带宽(RBW)确定。在这个实例中，Kaiser Window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。频域画面中还显示了总功率和占用带宽测量数据。

图2 – 时域和频域视图和测量(注意注释)

在前置码期间测得的占用带宽为98 kHz，满足这个FSK信号的技术规范。1.4 dBm的输出功率(刚刚大于1 mW)低于目标，但在