FCC和ETSI对ASK调制、短距离UHF发送器的要求

FCC和ETSI对工作于ISM频段(包括315MHz和433.92MHz)的幅移键控(ASK)发送器的辐射功率进行了限制，本应用笔记将对这些限制规定进行说明。同时论述了验证发送器能否满足辐射限制要求所采用的特定测试方法，以及可能影响测试结果的测试参数。根据ASK调制方式的理论频谱和实测频谱，并结合频谱分析仪实测的ASK发送器辐射迹线，阐述了通过这些测试的必要条件。 
 
概述
针对用于遥控钥匙(RKE)、家庭自动化、家庭安全系统和其他无线操控设备的无执照发送器，美国的FCC和欧洲的ETSI都规定了其发射功率电平的限制值。这些功率限制要求对这些设备的有意发射和无意或杂散发射均适用。结合这些功率限制值并遵循相应的测试规程，以确定设备的功率辐射是否符合所制定的规范。测试仪器设置和发送器辐射特性之间的关系对测试结果(即通过或不合格)影响很大。 
本应用笔记阐述了幅移键控(ASK)信号的调制谱、发送器的相位噪声和发送器VCO瞬态频率牵引对测试结果的影响。 

ASK调制谱
可以这样理解ASK调制谱，即用一个周期性的方波信号来调制一个RF载波信号，然后对谱线进行"修正"以说明数据流的随机性。 
首先，将周期为2T的方波信号看作是数据速率为1/T的1010...不归零(NRZ)数据序列，如图1所示。该方波的功率谱如图2所示，其中零频率表示载波频率，f0。此时，f0由归一化的载波谱线和处于(1/2T)奇数倍频点的谱线组成。每条谱线的功率与载波(零频率)谱线的功率之比可由下式给出： 
 

图1. 周期为2T的方波 

图2. 周期为2T的方波的功率谱 

当ASK调制信号是真实数据时，数据的随机性使得功率谱的谱线修正为半周正弦波。归一化至载波频率的功率谱密度数学表达式是： 
 
每个旁边的谱密度峰值与载波频率的谱密度之比仍然由式1求得。 
图3所示是ASK发送器采用4kHz方波(相当于8kbps的数据速率)调制时的频谱。可以看到，各旁边峰值均位于4kHz (即数据速率的一半)的奇数倍频点处。 

图3. ASK发送器采用4kHz方波调制时的信号频谱 

请留意ASK已调信号载波谱线(或波边)功率和未调制(CW)载波功率之间的关系。这一点很重要，因为FCC和ETSI规范有时适用于相对功率，有时适用于绝对功率。如果发送器稳定地辐射(未调制) P0瓦功率，然后采用占空比为50%的ASK数据流进行调制，那么调制后辐射的总功率将减半，即为P0/2。而且，调制会形成边带，所以频谱的主边(载波)只包含了ASK已调信号一半的功率。因此，将调制旁边功率与发送器的CW功率相比时，等式1中的功率比应再减去6dB(即CW功率与ASK调制后载波谱边功率的比值)。 
举个例子，一个辐射10mW未调制载波功率的315MHz发送器经过ASK调制后只辐射5mW功率。在这5mW中，只有2.5mW存在于载波波边中，其余的2.5mW分散在各旁边中。所以，当数据速率为8kbps时(参见式1)，第101个旁边(距离载波频率404kHz)的功率为： 
 
可见旁边功率不仅比ASK已调信号的载波波边功率小44dB，而且比未调制的CW载波功率小50dB。 

FCC对ASK发送器的要求
发射带宽
FCC第15.231(c)节规定，有意发送的发射带宽不能超过中心频率的0.25%，其中发射带宽由辐射谱中低于已调载波功率20dB的频点决定。315MHz和433.92MHz是260MHz到470MHz无执照频带中两种最常用的频率，与其相对应，最大允许带宽分别是787.5kHz (±394kHz)和1.085MHz (±542kHz)。 
由上述ASK谱功率的计算公式可知，只要确定了功率比载波频率处的波边功率至少低20dB以上的旁边，就可以很容易地预测ASK已调信号的20dB带宽。根据式1，第7个旁边功率比载波频率处的波边功率小20.8dB。所以，20dB带宽应该是一半数据速率的±7倍。对于10kbps的数据速率，20dB发射带宽应该是70kHz。在距离载波频率500kHz的频点处(近似于0.25%带宽限的一侧)，10kbps的功率谱应该比载波频率处的波边功率小44dB。 
事实上，实测的20dB带宽以及距离载波频率500kHz处的谱功率均比计算值大，这是基于以下三个原因：  
1 FCC要求测量设备的分辨带宽要比调制旁边宽； 
2 合成振荡器的相位噪声会增加旁边的功率； 
3 ASK调制对VCO的轻微牵引使得测试结果中出现瞬态频率成分。 

FCC的测量带宽，即测量仪器的带宽设置，不容易确定而且有例外情况。FCC的第15.231(b)(2)节参考FCC的第15.205节，而FCC的第15.205节又参考FCC的第15.35节，FCC的第15.35节最终又参考CISPR的第16版。CISPR-16指出，对于1GHz以下的发射应用，如果使用准峰值检波器，则测量带宽设置为120kHz；如果使用具有峰值检波功能的频谱分析仪，则测量带宽采用100kHz。对于几kbps的数据速率，用该测量带宽来确定发射带宽似乎很大。 
幸好，还有一个更窄、更实际的FCC测量带宽规范。它并没有记录在任何文档中，但是相容性测试公司均了解这一规范，并且可以在FCC的网站Office of Engineering and Technology上得到证实。这一鲜为人知的规范指出，测量带宽必须至少是允许的20dB发射带宽的1%。所以对于315MHz的信号，787.5kHz带宽的1%大约为8kHz，那么将频谱分析仪的带宽设置为10kHz即可满足要求。而对于433.92MHz的信号，1.085MHz带宽的1%略大于10kHz。此时频谱分析仪的带宽必须设置为30kHz，因为这是10kHz以上最接近10kHz的设置。对于315MHz和433.92MHz中的任意一种信号，测量带宽都低于100kHz。 
不同厂商生产的锁相环(PLL)发送器的相位噪声谱密度会有很大的不同。在距离载波频率500kHz处测量时，RF CMOS发送器的相位噪声密度介于-85dBc/Hz和-90dBc/Hz之间。这说明在100kHz最大FCC带宽内测量的相位噪声比距离载波频率500kHz处的功率小35dB以上。若数据速率较低，当测量距离载波频率500kHz处的频谱时，相位噪声的存在会增加调制谱的测量值，尽管其理论旁边功率电平比载波波边功率小35dB以上。 
如果使用较宽的测量带宽(如100kHz)，由于ASK调制对VCO的瞬态牵引，会使测量的谱高度增加5dB。具有"Max Hold" (最大值保持)功能的宽分辨率滤波器可以检测到这些只存在几微秒的瞬态频谱变化。将滤波器的分辨带宽减小到30kHz或更低时，可以基本消除这一现象对测量频谱的影响。 
采用FCC所要求的峰值检波器或"Max Hold"设置时，鉴于以上三种因素的影响，会使测量功率增加多达10dB。因此，距离载波频率500kHz频点处的发射带宽测量频谱可能只比载波功率小20dB到25dB，尽管理论上调制谱要小35dB到55dB。由于理论频谱和测量频谱之间存在这一巨大差异，高数据速率的ASK发送器在进行FCC测试时可能出现问题。因为FCC要求考虑所有影响因素后，距离载波频率大约500kHz处的频谱要比载波波边功率小20dB。对应不同的数据速率，表1列出了距离载波频率500kHz处ASK调制边带的理论谱高度。同时也给出了采用100kHz、30kHz和10kHz带宽时测量的功率。 
表1. 用于FCC发射带宽测量的ASK边带理论功率电平