Polowanie na źródła szumu w radiowych systemach embedded

Dodając systemy komunikacji bezprzewodowej do systemów typu embedded, inżynierowie projektujący tego rodzaju układy stają przed różnymi wyzwaniami. W aplikacjach, które są zasilane z baterii, zazwyczaj towarzyszy jej przetwornica, gwarantująca wysoką wydajność przy niskim koszcie całego systemu. Jednakże, w wielu przypadkach, jej wielkość także może być problemem. W takich sytuacjach chętnie stosuje się przetwornice o bardzo wysokiej częstotliwości pracy, co pozwala zmniejszyć wielkość indukcyjności i pojemności potrzebnych do pracy układu i filtrowania napięcia wyjściowego. Niestety, stosowanie tak wysokiej częstotliwości przełączania ma swoje wady - zakłócenia o częstotliwości równej częstotliwości pracy przetwornicy przenikają do napięcia zasilającego, pomimo jego filtracji i mogą zakłócać pracę nadajników RF bądź wręcz być widoczne w widmie sygnału wyjściowego, za układem RF, szczególnie przy dużym poborze prądu z zasilacza lub przy mocno rozładowanej baterii.

Aby uniknąć tego rodzaju nieprzyjemności konieczne może być dodatkowe filtrowanie napięcia zasilającego pod kątem sygnałów o częstotliwości radiowej, nawet jeżeli zwiększa to koszt lub wielkość projektowanego systemu. Konfiguracja sprzętowa i programowa układów radiowych w systemie ma ogromny wpływ na jakość nadawanego sygnału. Jeśli układy wyjściowe nie są odpowiednio zestawione i zaprogramowane, transmisja radiowa może nie tylko nie działać poprawnie, ale także zakłócać inne systemy i/lub uniemożliwić urządzeniu przejście przez stosowne testy, dotyczące emisji promieniowania elektromagnetycznego. Niektóre urządzenia wymagać będą dodawania różnego rodzaju drogich filtrów, aby wytłumić niepożądane składowe w sygnale nadawanym przez układy RF w systemie.

Przykładowa aplikacja: System embedded zasilany z pomocą przetwornicy impulsowej z bezprzewodowym układem komunikacji.

Aby zaprezentować na przykładzie, w jaki sposób znajdować i eliminować można źródła szumu z układów, wykorzystamy moduł komunikacji radiowej MRF89XM8A. Jest to produkowany przez firmę Microchip Technologies moduł komunikacyjny zawierający w sobie radiowy układ scalony MRF89XA, filtr analogowy oraz układ dopasowania anteny. Dla celów demonstracyjnych moduł zamontowano na płytce ewaluacyjnej Explorer 16, która umożliwia kontrolę modułu radiowego z poziomu komputera PC. Do zasilania systemu wykorzystano przetwornicę MCP1640 na płytce ewaluacyjnej MCP1640EV. Wykorzystanie takiego układu pozwala nam dosyć dobrze zasymulować zasilanie z przetwornicy impulsowej i baterii.

Częstotliwość przełączania w układzie MCP1640 wynosi około 500 kHz i jest to typowa wartość dla tej klasy układów. Stabilizuje on napięcie 3,3 V, zasilające moduł radiowy z napięcia wejściowego 0,8 V lub więcej. Dzięki zastosowaniu takiego układu system zasilać można już z pojedynczego ogniwa, co ma istotny wpływ na wielkość gotowego urządzenia. Do testowania opisanego systemu wykorzystano urządzenie wielofunkcyjne z serii MDO4000 firmy Tektronix. Jest to oscyloskop pracujący z sygnałami analogowymi i cyfrowymi, mający możliwość daleko idącej analizy sygnałów. Dodatkowo urządzenia z serii TDO4000 mogą równocześnie wyświetlać różne sygnały: do 4 sygnałów analogowych, 16 przebiegów cyfrowych, do 4 sygnałów zdekodowanych z przebiegów cyfrowych - szeregowych lub równoległych oraz pojedynczy sygnał radiowy. Wszystkie te sygnały są ze sobą skorelowane w czasie i pozwalają na analizowanie wzajemnych powiązań. Na rysunku powyżej zaprezentowano wykorzystany w przykładzie układ pomiarowy.

Identyfikacja źródeł szumu

Dla porównania najpierw zmierzono widmo sygnału radiowego, centrowanego na 868 MHz, z niewielką prędkością przesyłu danych - 2 kbps z modulacją FSK. Wyniki pomiarów zaprezentowano na rysunku 1. Warto zwrócić uwagę, że oscyloskop na swoim wyświetlaczu prezentuje dane jednocześnie w przestrzeni czasu jak i częstotliwości, pokazując na obu wykresach zależności czasowe pomiędzy sygnałami. Dolna część wyświetlacza pokazuje sygnały w przestrzenie częstotliwości - widmo sygnału RF, w tym przypadku sygnału na wyjściu z nadajnika. U góry wyświetlacza pokazane są klasyczne przebiegi oscyloskopowe, czyli w domenie czasu. Widmo sygnału radiowego wyznaczone jest dla momentu oznaczonego na górnym przebiegu pomarańczową ramką.



Jako że skala pozioma na wykresie czasoworozdzielczym jest niezależna od czasu potrzebnego na obliczenie szybkiej transformatory Fouriera (FFT) dla widma, ważne jest, aby widmo reprezentowało wybrany w czasie moment, aby móc skorelować widmo sygnału RF z pozostałymi przebiegami. Unikalna architektura urządzeń z serii MDO4000 pozwala na niezależne, skorelowane w czasie akwizycje wszystkich sygnałów (cyfrowych, analogowych i RF). Każde z wejść posiada własną pamięć i zależne jest od skali czasowej przebiegu. Umożliwia to dowolne przemieszczanie okna akwizycji widma po przebiegu w funkcji czasu. Pokazano to na rysunku 2a.



Wykorzystując urządzenia z serii MDO4000 okno akwizycji widma może być płynnie przesuwane, aby sprawdzać, jak widmo sygnału RF zmienia się w funkcji czasu. Na rysunku 2a zaprezentowano widmo z oknem czasowym umieszczonym w czasie transmisji symboli preambuły pakietu. Czas akwizycji widma zależny jest od oczekiwanej od widma rozdzielczości w pasmie (RBW). Czas akwizycji widma równy jest Współczynnikowi Kształtowania Okna podzielonemu przez RBW, w przypadku wykorzystania okna domyślnego - typu Kaisera - współczynnik ten wynosi 2,23, więc czas pomiaru, dla rozdzielczości równej 220 Hz wynosi 2,23/220 Hz - około 10 ms. Modulacja FSK sprawia, że tylko jedna z częstotliwości sygnału RF jest aktywna w danym momencie. Aby poznać całkowite zajmowane przez transmisję pasmo i móc wyznaczyć całkowitą moc sygnału, dla preambuły zastosowano dłuższy czas akwizycji niż wyznaczony z powyższego równania.

Aby móc obserwować pakiety transmisji radiowe, na wyświetlaczu oscyloskopu widoczny jest przebieg RF w funkcji czasu. Pomarańczowa linia oznaczona "A" reprezentuje amplitudę sygnału w funkcji czasu, a pomarańczowa linia oznaczona "f" reprezentuje częstotliwość sygnału RF w funkcji czasu (względem środkowej częstotliwości widma). Zielona linia (kanał 4) pokazuje prąd, jaki dostarczany jest w danym momencie do testowanego modułu.

Jak widać na rysunku 2 - prąd narasta od niemalże zera pomiędzy pakietami do około 40 mA w czasie transmisji. Żółty przebieg (kanał 1) pokazuje zakłócenia pochodzące z zasilacza (sygnał ze sprzężeniem AC). Jak łatwo zauważyć, w napięciu jest tylko jeden niewielki zapad podczas transmisji. Przebiegi pokazane na rysunku 2b pokazują ten sam zestaw sygnałów zebrany podczas transmisji pakietów. Jak warto zauważyć, największa część energii jest w dolnej części widma. W obu pokazanych powyżej przypadkach moduł zasilany był z zasilacza warsztatowego.

Osoby głębiej zainteresowane tematem mogą pobrać cały podręcznik, dotyczący poszukiwania źródeł szumu w systemach z transmisją bezprzewodową (w języku angielskim) stąd.

Źródło: http://info.tek.com/1511-EN-TEK-MAINSTREAM-Turbocharge2-Oscilloscopes_LP-Email-3.html?mkt_tok=3RkMMJWWfF9wsRolsqjPe%2B%2FhmjTEU5z14%2B0oXKSwlMI%2F0ER3fOvrPUfGjI4CTsRqM6%2BTFAwTG5toziV8R7XNKM13yt0QUxXi