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BLE射频杂散源的由来,以及常见处理办法

2019-11-04
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在前述文章中,已经讲过什么是谐波,什么是杂散,它们为何有害,以及过多杂散发射对FCC的影响。但是,如果在实际产品中出现了杂过大,FCC安规过不了,该如何处理??本文从理论上分析杂散由来,并给出一套行之有效的杂散测试,解决杂散的方法。

上图描述的是未通过杂散测试的情况,如果你发现自己的无线产品处于这种境地,你要做的第一件事就是了解产生该问题的原因。


关于设备是如何生成杂散发射,实际上只有两种原因

1.该设备即使在未开启RF功能情况下也会产生杂散发射,该情况通常是由于电源噪声,高速信号或其他信号完整性问题引起。

2.仅在设备RF工作时,设备才会产生杂散发射,通常又是由于以下两种可能的原因之一:
  • 无线电设备供电的电源线包含高频噪声,由于电源抑制比(PSR)不足,无线电设备的功率放大器会产生谐波。

  • RF信号从设备的天线辐射出来,然后被PCB上的某些组件或走线(模拟天线)吸收,然后产生谐波。如前所述,这也是接收机自静噪的常见原因。


知道设备只有这两种机制会产生杂散发射,那么你需要回答以下问题:

1.在RF使能期间是否失败?

2.杂散频率是无线电谐波频率吗?


如果对这两个问题的回答都是“是”,则谐波很可能直接从无线电的RF端口发出,您可以尝试以下方法:

1.降低数据吞吐量(DCCF将在以下部分中详细讨论)。

2.如果系统可以接受,尝试降低最大发射功率。

3.滤除无线电射频端口的谐波。


如果你的设备在测试中Failed,或者失败的频率不是无线电传输频率的谐波,要检查和测试的主要内容有:

1.确定你的PCA上是否有元器件可能生成谐波,如果是,请验证该元器件进行修复,例如屏蔽,滤波,旁路,端接,布局修改。

2.使用近场探头来识别杂散发射源,然后对其进行修复(屏蔽,过滤等)-在下面的部分中详细介绍近场探头。
1.杂散源头
根据傅里叶变化可知,理想的数字信号(比如方波,或梯形波)在频域中是由其工作频率的奇次谐波组成(查找傅立叶级数并检查该傅立叶小程序http://www.falstad.com/fourier/e-lopass.html)。

我们用一个例子来说明:

SPI协议中的信号之一是时钟信号,如以下示例所示,它始终在逻辑低电平和逻辑高电平之间切换,并且在两个逻辑电平之间有一定的过渡时间。下图所示的梯形波是时域中的SPI时钟-假设频率为1 MHz,上升时间为10 ns。但是在频域中我们可以把该信号分解是1 MHz SPI时钟的奇次谐波累加的结果(3、5、7等),如果我们发现杂散信号的频率为1 M Hz的基数倍,我们就可以大致判断该杂散的源头来自该SPI的1M Hz Clk信号。
杂散测量
如果没有条件搭建暗室,则对多台设备进行重复测试对找到杂散根本原因有很大帮助。进行的测量时,断开设备与天线的连接,这样可以更清楚的知道RF端口究竟产生了什么,然后才是测试设备天线辐射出的能量。通过将设备的天线与无线电的RF端口断开,并将其通过同轴电缆直接连接到频谱分析仪,信号发生器,功率计。可以通过用同轴电缆和测试设备物理替换天线,或者使用RF开关(通常使用一个0欧姆电阻)来完成,如下面所示。
这类测试不仅有助于调试无线RF端口发出的杂散辐射,也可做为无线电设备其他RF性能参数测试(例如发射功率电平,接收器灵敏度和误差矢量幅度(EVM))。
利用近场探头
近场探头本质上是一个性能很差的天线,它仅在强电磁辐射源的几英寸范围内才与电磁场耦合。通过将近场探头连接到频谱分析仪,可以看到从靠近近场探头的源头发出的EM辐射。当需要将杂散辐射源标识到电路上的特定位置并且其他方法不成功时,这时是非常有用。近场探头具有各种形状和大小,如下图所示。
不同形状的近场探头都有不同的用途。下面图显示了不同探针类型将拾取的EM字段。还记得电磁场由电场(电场)和磁场(磁场)组成吗?好吧,细小探针仅在极小的区域内与近距离处的电场耦合,对于从小区域(例如单条PCB迹线)检测电场很有用。金属检测器形探头更容易检测电场-有助于快速“扫掠”较大区域(例如整个PCB)中的电场。甜甜圈形探头仅与H场耦合-较小的甜甜圈具有较小的检测区域,可用于缩小场源。

当处理非常低的功率发射(通常引起自静噪的功率发射)时,频谱分析仪可能无法检测到近场探头拾取的微弱信号。在这些情况下,可能需要宽带低噪声放大器(LNA)来放大近场探头拾取的微弱信号,从而使频谱分析仪能够检测到该信号。


2.杂散解决方法

调节占空比校正因子(DCCF: Duty Cycle Correction Factor

在FCC的有关射频设备分类说明下,有一小部分适用于BLE该部分需要一个设备至少在15个频道之间跳频,而BLE设备在广告或信标模式下只在3个频道之间跳频(37,38,39通道)。

(标准参考:https://www.ecfr.gov/cgi-bin/text-idx?SID=a3e12c609eb2d564f99fd9143c3e5c34&mc=true&node=pt47.1.15&rgn=div5)

§15.249中规定的谐波极限水平表示为§15.35(b)中定义的平均值。§15.35(c)段指出,当辐射发射限值以发射平均值表示,并且采用脉冲形式输出(例如BLE)时,则可以从峰值测量中计算出其平均值。

通常将峰值测量值转换为平均值,即为计算DCCF。DCCF占空比为导通时间与关闭时间的比率。例如,开启时间为10毫秒,关闭时间为90毫秒,开启时间为10毫秒的发射信号占空比为0.1或10%。下面的图3描绘了三种不同的占空比信号,分别为25%(底部),50%(中间),75%(顶部):

DCCF可以使用占空比信息将峰值测量值转换为平均值,使用已知的占空比和以伏特V为度量单位表示的峰值发射值(例如,dBµV或分贝微伏特),我们可以使用以下公式确定DCCF:

DCCF [dB] = 20 * log(1 / DutyCycle),其中0 <DutyCycle <1


如果我们使用的是分贝级别的功率单位(例如,dBm或分贝毫瓦),我们可以用:

DCCF [dB] = 10 * log(1 / DutyCycle),其中0 <DutyCycle <1


然后,我们将获取峰值测量值,并通过计算出的DCCF减去该值以获得平均值,并确保计算出的平均值低于FCC定义的平均值限值。

计算的平均发射值[dBµV / dBm] = 测得的峰值发射值[dBµV / dBm] – DCCF [dB]


我们利用上述公式计算BLE连接状态下TX时的DCCF(RF最大发射占空比情况)。前述文章有解释了BLE V4. & V5.0在连接状态下的数据包长度,从20个字节的最大包长限制提高到多达244个字节的包长。 在此处,我们考虑以下极限情形,如下图所示:

数据长度扩展已启用

数据速率= 1 Mbit / s或1 * 10 ^ -6秒/位或1 µs /位

每个数据包的传输位= 265 * 8 = 2120位/数据包每个数据包的传输时间= 1 µs /位* 2120位/数据包= 2120 µs /数据包

每个连接间隔中的数据包= 2个

连接间隔 = 7.5毫秒

以dBuV / m尺度进行的辐射测量(电场强度)

使用此信息,我们可以确定发射占空比,如下所示:

DutyCycle =每个数据包的传输时间(以秒为单位)* 每个间隔的数据包/连接间隔,以秒为单位

DutyCycle(占空比)= 2120 µs * 2 / 7.5 ms≈0.57


现在,由dB µVm电场强度标度,可以使用20 * log(1 / DutyCycle)公式来计算DCCF:

DCCF = 20 *log(1 / 0.57)  ≈5dB


使用该DCCF值,将峰值发射测量值转换为计算出的平均值,为了简单起见,假设平均值极限为10 dBµV / m,而EUT测得的峰值发射为11 dBµV / m,下降了1 dB。然后,可以将计算出的5 dB DCCF应用于测量的11 dBµV / m峰值发射,以转换为计算得出的6 dBµV / m的平均发射,现在超过4 dB。

当然,对于其他BLE应用,此计算结果略有不同,但是上述计算代表BLE实际应用场景中的最大发射占空比,以后可以直接使用该理论值,将峰值发射测量值降低5 dB,以获得平均值。

但是,如果从峰值测量值中减去DCCF不足以使您的设备的发射达到合格水平怎么办?你可以进一步降低传输占空比,以获得更大的DCCF,这将足以使设备的发射达到合规水平(前提是你的应用程序可以接受这种低数据传输率),这意味着降低了数据传输速率但也尝试通过其他方式降低峰值发射,例如降低设备的最大发射功率或试图了解谐波发生的源因,从源头上减轻它们。
抑制电源噪声
向射频芯片的功率放大器供电时,会把供电电源的噪声带入RF放大器中,这是导致射频输出端口出现谐波辐射的常见原因。下图描述了电源低频噪声(Fsw)对射频RF输出端产生的谐波影响。
如果这些谐波离您的无线电射频板足够远(f 0 -f SW << f 0 << f 0 + f SW),那么有时可以简单地在RF输出处对其进行滤波。然而,这些高次谐波频率通常靠近RF输出频率,过滤谐波也可能会过滤掉RF调制输出的载波。在这种情况下,必须从电源上消除噪声,有时可能需要添加RC缓冲电路,选择无噪声的线性电源(具有良好的PSRR,电源抑制比),甚至改善电源和RF电路周围的PCB布局。
解决自静噪
当无线电子设备在无线电频段内的频率(在BLE情况下为2.402 GHz至2.480 GHz)中产生杂散发射并且其强度足以被其他无线设备的天线接收时,你会面临自静噪问题。这会导致接收器灵敏度性能下降,通常工程师都不恰当地将其归咎于“测距差”或“天线不良”。下图中说明了这种自静噪情况,其中“雷电”表示EM场强。自静噪并不是一个容易克服的问题,解决和避免这些问题是某些RF工程师的全职工作。

通常,你要做的第一件事是确认自静噪实际上是无线电灵敏度或RF接收范围降低的原因。您可以通过测试来诊断自己的静噪程度,但你将需要一个可重复测试的受控环境,下面列表包含用于诊断自我静噪的测试设备(基本款和复杂款):


射频隔离:大,开阔场广场(基本)或暗室(复杂)

信号发生器:信号发生器,TX标准件(基本)或功率可调信号发生器(复杂)


在下面的图所示的基本测试设置示例中,请按照以下步骤诊断自静噪:

寻找一个大而平坦的场地,将EUT(electronic under test,被测设备

)放在场地一端的固定位置,将TX标准件移到该字段的另一端(远离EUT),使它们恰好能保持连接为好。被测设备与标准件之间的距离为d1。

分离被测件EUT与EUT天线之间的距离d2,同时将EUT天线保持在固定位置。

检查以确保现在可以通过将标准件移离EUT天线更远,来增加可靠的连接距离d1。

距离d1是否是增加的?如果是,则EUT存在自静噪问题,可以通过将EUT的天线远离EUT噪声源进一步缓解。

如果你的系统可以接受简单的将天线从电路板上移开,那问题就简单很多。但大多数情况下是不可能的,尤其是当天线集成在电路板上而不是使用外部天线时。当你不能将天线从电路板上移开时,必须通过其他方式阻止自静噪时,一种常见的办法是在PCB上可能产生噪声源头周围增加屏蔽层:处理器,高速存储器,时钟,开关电源,其他快速上升的数字信号。在这些情况下,工程师在设计PCB时通常预留屏蔽罩丝印,这可以在后期省很多事。


如果添加屏蔽罩并没有帮助,那么下一步就是要研究自静噪的来源。如果幸运的话,你可以使用近场探头和频谱分析仪找到自静噪发射源。如果你不走运,或者噪声发射能量太低而无法使用近场探头进行测量,或者组件太小且间隔太近而无法使用近场探头将特定组件进行测量,那么,好吧,在保持RF功能正常情况下,可以关闭或移除电路的哪些组件?如果关闭电路板上的模拟部分,突然接收器的灵敏度提高,那么你就知道模拟部分正在产生杂散发射。如果您随后退后一步,仅禁用主控芯片的SPI信号,灵敏度仍然得到改善,你就会知道SPI信号给你带来了麻烦。
3.经验分享

有许多经验可以抑制这些杂散发射,下面是一些经验分享:


具有快速电平转换时间的数字信号:

  • 增加高频滤波。

  • 通过串电阻端接来防止有害的信号反射。


电源输出纹波过大或RF噪声耦合到电源IC的输入:

  • 电源输出端增加滤波电容器或铁氧体磁珠的滤波器。

  • 为所有IC电源输入提供局部旁路电容。


糟糕的高速信号走线或不良的电源PCB布局/堆叠技术:

  • 对于具有快速逻辑电平转换的所有信号,电流路径最小化。

  • 避免在电源和接地平面上出现断裂,这些只是在寻求EMI。如果需要在电源平面中使用中断或插槽,请在中断周围路由高速信号。

  • 使用多层PCB,至少要有一层作为专用接地层。随着信号层数量的增加,建议使用更多的专用接地层。


针对高速或大功率信号走线,缺少滤波

  • 在走线上添加铁氧体钳位。

  • 在电缆连接器附近添加铁氧体磁珠,电容。

  • 控制电源电流返回路径最快。


本文讲述的原理和方法不止适用于BLE,其他无线设备也一并适用,您觉得有用的话,就请给我点个赞吧~



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