以藍牙為例 簡述無線通信中雜散的由來與常見處理方法

在前述文章中，已經講過什么是諧波，什么是雜散，它們為何有害，以及過多雜散發射對FCC的影響。但是，如果在實際產品中出現了雜散過大，FCC安規過不了，該如何處理？？本文從理論上分析雜散由來，并給出一套行之有效的雜散測試，解決雜散的方法。

上圖描述的是未通過雜散測試的情況，如果你發現自己的無線產品處于這種境地，你要做的第一件事就是了解產生該問題的原因。

關于設備是如何生成雜散發射，實際上只有兩種原因：

1.該設備即使在未開啟RF功能情況下也會產生雜散發射，該情況通常是由于電源噪聲，高速信號或其他信號完整性問題引起。

2.僅在設備RF工作時，設備才會產生雜散發射，通常又是由于以下兩種可能的原因之一：

• 無線電設備供電的電源線包含高頻噪聲，由于電源抑制比（PSR）不足，無線電設備的功率放大器會產生諧波。

• RF信號從設備的天線輻射出來，然后被PCB上的某些組件或走線（模擬天線）吸收，然后產生諧波。如前所述，這也是接收機自靜噪的常見原因。

知道設備只有這兩種機制會產生雜散發射，那么你需要回答以下問題：

1.在RF使能期間是否失??？

2.雜散頻率是無線電諧波頻率嗎？

如果對這兩個問題的回答都是“是”，則諧波很可能直接從無線電的RF端口發出，您可以嘗試以下方法：

1.降低數據吞吐量（DCCF將在以下部分中詳細討論）。

2.如果系統可以接受，嘗試降低最大發射功率。

3.濾除無線電射頻端口的諧波。

如果你的設備在測試中Failed，或者失敗的頻率不是無線電傳輸頻率的諧波，要檢查和測試的主要內容有：

1.確定你的PCA上是否有元器件可能生成諧波，如果是，請驗證該元器件進行修復，例如屏蔽，濾波，旁路，端接，布局修改。

2.使用近場探頭來識別雜散發射源，然后對其進行修復（屏蔽，過濾等）-在下面的部分中詳細介紹近場探頭。

1.雜散源頭

根據傅里葉變化可知，理想的數字信號（比如方波，或梯形波）在頻域中是由其工作頻率的奇次諧波組成（查找傅立葉級數并檢查該傅立葉小程序http://www.falstad.com/fourier/e-lopass.html）。

我們用一個例子來說明：

SPI協議中的信號之一是時鐘信號，如以下示例所示，它始終在邏輯低電平和邏輯高電平之間切換，并且在兩個邏輯電平之間有一定的過渡時間。下圖所示的梯形波是時域中的SPI時鐘-假設頻率為1 MHz，上升時間為10 ns。但是在頻域中我們可以把該信號分解是1 MHz SPI時鐘的奇次諧波累加的結果（3、5、7等），如果我們發現雜散信號的頻率為1 M Hz的基數倍，我們就可以大致判斷該雜散的源頭來自該SPI的1M Hz Clk信號。

雜散測量

如果沒有條件搭建暗室，則對多臺設備進行重復測試對找到雜散根本原因有很大幫助。進行的測量時，斷開設備與天線的連接，這樣可以更清楚的知道RF端口究竟產生了什么，然后才是測試設備天線輻射出的能量。通過將設備的天線與無線電的RF端口斷開，并將其通過同軸電纜直接連接到頻譜分析儀，信號發生器，功率計?？梢酝ㄟ^用同軸電纜和測試設備物理替換天線，或者使用RF開關（通常使用一個0歐姆電阻）來完成，如下面所示。

這類測試不僅有助于調試無線RF端口發出的雜散輻射，也可做為無線電設備其他RF性能參數測試（例如發射功率電平，接收器靈敏度和誤差矢量幅度（EVM））。

近場探頭本質上是一個性能很差的天線，它僅在強電磁輻射源的幾英寸范圍內才與電磁場耦合。通過將近場探頭連接到頻譜分析儀，可以看到從靠近近場探頭的源頭發出的EM輻射。當需要將雜散輻射源標識到電路上的特定位置并且其他方法不成功時，這時是非常有用。近場探頭具有各種形狀和大小，如下圖所示。

不同形狀的近場探頭都有不同的用途。下面圖顯示了不同探針類型將拾取的EM字段。還記得電磁場由電場（電場）和磁場（磁場）組成嗎？好吧，細小探針僅在極小的區域內與近距離處的電場耦合，對于從小區域（例如單條PCB跡線）檢測電場很有用。金屬檢測器形探頭更容易檢測電場-有助于快速“掃掠”較大區域（例如整個PCB）中的電場。甜甜圈形探頭僅與H場耦合-較小的甜甜圈具有較小的檢測區域，可用于縮小場源。

當處理非常低的功率發射（通常引起自靜噪的功率發射）時，頻譜分析儀可能無法檢測到近場探頭拾取的微弱信號。在這些情況下，可能需要寬帶低噪聲放大器（LNA）來放大近場探頭拾取的微弱信號，從而使頻譜分析儀能夠檢測到該信號。

2.雜散解決方法

調節占空比校正因子（DCCF: Duty Cycle Correction Factor）

在FCC的有關射頻設備分類說明下，有一小部分適用于BLE：該部分需要一個設備至少在15個頻道之間跳頻，而BLE設備在廣告或信標模式下只在3個頻道之間跳頻（37，38，39通道）。

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

§15.249中規定的諧波極限水平表示為§15.35（b）中定義的平均值。§15.35（c）段指出，當輻射發射限值以發射平均值表示，并且采用脈沖形式輸出（例如BLE）時，則可以從峰值測量中計算出其平均值。

通常將峰值測量值轉換為平均值，即為計算DCCF。DCCF占空比為導通時間與關閉時間的比率。例如，開啟時間為10毫秒，關閉時間為90毫秒，開啟時間為10毫秒的發射信號占空比為0.1或10％。下面的圖3描繪了三種不同的占空比信號，分別為25％（底部），50％（中間），75％（頂部）：

DCCF可以使用占空比信息將峰值測量值轉換為平均值，使用已知的占空比和以伏特V為度量單位表示的峰值發射值（例如，dBμV或分貝微伏特），我們可以使用以下公式確定DCCF：

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

如果我們使用的是分貝級別的功率單位（例如，dBm或分貝毫瓦），我們可以用：

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

然后，我們將獲取峰值測量值，并通過計算出的DCCF減去該值以獲得平均值，并確保計算出的平均值低于FCC定義的平均值限值。

計算的平均發射值[dBμV / dBm] = 測得的峰值發射值[dBμV / dBm] – DCCF [dB]

我們利用上述公式計算BLE連接狀態下TX時的DCCF(RF最大發射占空比情況)。前述文章有解釋了BLE V4. & V5.0在連接狀態下的數據包長度，從20個字節的最大包長限制提高到多達244個字節的包長。 在此處，我們考慮以下極限情形，如下圖所示：

數據長度擴展已啟用

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

每個數據包的傳輸位= 265 * 8 = 2120位/數據包每個數據包的傳輸時間= 1 μs /位* 2120位/數據包= 2120 μs /數據包

每個連接間隔中的數據包= 2個

連接間隔 = 7.5毫秒

以dBuV / m尺度進行的輻射測量（電場強度）

使用此信息，我們可以確定發射占空比，如下所示：

DutyCycle =每個數據包的傳輸時間（以秒為單位）* 每個間隔的數據包/連接間隔，以秒為單位

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

現在，由dB μVm電場強度標度，可以使用20 * log（1 / DutyCycle）公式來計算DCCF：

DCCF = 20 *log（1 / 0.57）  ≈5dB

使用該DCCF值，將峰值發射測量值轉換為計算出的平均值，為了簡單起見，假設平均值極限為10 dBμV / m，而EUT測得的峰值發射為11 dBμV / m，下降了1 dB。然后，可以將計算出的5 dB DCCF應用于測量的11 dBμV / m峰值發射，以轉換為計算得出的6 dBμV / m的平均發射，現在超過4 dB。

當然，對于其他BLE應用，此計算結果略有不同，但是上述計算代表BLE實際應用場景中的最大發射占空比，以后可以直接使用該理論值，將峰值發射測量值降低5 dB，以獲得平均值。

但是，如果從峰值測量值中減去DCCF不足以使您的設備的發射達到合格水平怎么辦？你可以進一步降低傳輸占空比，以獲得更大的DCCF，這將足以使設備的發射達到合規水平（前提是你的應用程序可以接受這種低數據傳輸率），這意味著降低了數據傳輸速率。但也嘗試通過其他方式降低峰值發射，例如降低設備的最大發射功率或試圖了解諧波發生的源因，從源頭上減輕它們。

抑制電源噪聲

向射頻芯片的功率放大器供電時，會把供電電源的噪聲帶入RF放大器中，這是導致射頻輸出端口出現諧波輻射的常見原因。下圖描述了電源低頻噪聲（Fsw）對射頻RF輸出端產生的諧波影響。

如果這些諧波離您的無線電射頻板足夠遠（f 0 -f SW << f 0 << f 0 + f SW），那么有時可以簡單地在RF輸出處對其進行濾波。然而，這些高次諧波頻率通?？拷黂F輸出頻率，過濾諧波也可能會過濾掉RF調制輸出的載波。在這種情況下，必須從電源上消除噪聲，有時可能需要添加RC緩沖電路，選擇無噪聲的線性電源（具有良好的PSRR，電源抑制比），甚至改善電源和RF電路周圍的PCB布局。

解決自靜噪

當無線電子設備在無線電頻段內的頻率（在BLE情況下為2.402 GHz至2.480 GHz）中產生雜散發射并且其強度足以被其他無線設備的天線接收時，你會面臨自靜噪問題。這會導致接收器靈敏度性能下降，通常工程師都不恰當地將其歸咎于“測距差”或“天線不良”。下圖中說明了這種自靜噪情況，其中“雷電”表示EM場強。自靜噪并不是一個容易克服的問題，解決和避免這些問題是某些RF工程師的全職工作。

通常，你要做的第一件事是確認自靜噪實際上是無線電靈敏度或RF接收范圍降低的原因。您可以通過測試來診斷自己的靜噪程度，但你將需要一個可重復測試的受控環境，下面列表包含用于診斷自我靜噪的測試設備（基本款和復雜款）：

射頻隔離：大，開闊場廣場（基本）或暗室（復雜）

信號發生器：信號發生器，TX標準件（基本）或功率可調信號發生器（復雜）

在下面的圖所示的基本測試設置示例中，請按照以下步驟診斷自靜噪：

尋找一個大而平坦的場地，將EUT(electronic under test，被測設備

)放在場地一端的固定位置，將TX標準件移到該字段的另一端（遠離EUT），使它們恰好能保持連接為好。被測設備與標準件之間的距離為d1。

分離被測件EUT與EUT天線之間的距離d2，同時將EUT天線保持在固定位置。

檢查以確?，F在可以通過將標準件移離EUT天線更遠，來增加可靠的連接距離d1。

距離d1是否是增加的？如果是，則EUT存在自靜噪問題，可以通過將EUT的天線遠離EUT噪聲源進一步緩解。

如果你的系統可以接受簡單的將天線從電路板上移開，那問題就簡單很多。但大多數情況下是不可能的，尤其是當天線集成在電路板上而不是使用外部天線時。當你不能將天線從電路板上移開時，必須通過其他方式阻止自靜噪時，一種常見的辦法是在PCB上可能產生噪聲源頭周圍增加屏蔽層：處理器，高速存儲器，時鐘，開關電源，其他快速上升的數字信號。在這些情況下，工程師在設計PCB時通常預留屏蔽罩絲印，這可以在后期省很多事。

如果添加屏蔽罩并沒有幫助，那么下一步就是要研究自靜噪的來源。如果幸運的話，你可以使用近場探頭和頻譜分析儀找到自靜噪發射源。如果你不走運，或者噪聲發射能量太低而無法使用近場探頭進行測量，或者組件太小且間隔太近而無法使用近場探頭將特定組件進行測量，那么，好吧，在保持RF功能正常情況下，可以關閉或移除電路的哪些組件？如果關閉電路板上的模擬部分，突然接收器的靈敏度提高，那么你就知道模擬部分正在產生雜散發射。如果您隨后退后一步，僅禁用主控芯片的SPI信號，靈敏度仍然得到改善，你就會知道SPI信號給你帶來了麻煩。

3.經驗分享

有許多經驗可以抑制這些雜散發射，下面是一些經驗分享：

具有快速電平轉換時間的數字信號：

• 增加高頻濾波。

• 通過串電阻端接來防止有害的信號反射。

電源輸出紋波過大或RF噪聲耦合到電源IC的輸入：

• 電源輸出端增加濾波電容器或鐵氧體磁珠的濾波器。

• 為所有IC電源輸入提供局部旁路電容。

糟糕的高速信號走線或不良的電源PCB布局/堆疊技術：

• 對于具有快速邏輯電平轉換的所有信號，電流路徑最小化。

• 避免在電源和接地平面上出現斷裂，這些只是在尋求EMI。如果需要在電源平面中使用中斷或插槽，請在中斷周圍路由高速信號。

• 使用多層PCB，至少要有一層作為專用接地層。隨著信號層數量的增加，建議使用更多的專用接地層。

針對高速或大功率信號走線，缺少濾波

• 在走線上添加鐵氧體鉗位。

• 在電纜連接器附近添加鐵氧體磁珠，電容。

• 控制電源電流返回路徑最快。

      本文講述的原理和方法不止適用于BLE，其他無線設備也一并適用，您覺得有用的話，就請收藏一下吧！