概述

針對(duì)用于遙控鑰匙(RKE)、家庭自動(dòng)化、家庭安全系統(tǒng)和其他無線操控設(shè)備的無執(zhí)照發(fā)送器，美國(guó)的FCC和歐洲的ETSI都規(guī)定了其發(fā)射功率電平的限制值。這些功率限制要求對(duì)這些設(shè)備的有意發(fā)射和無意或雜散發(fā)射均適用。結(jié)合這些功率限制值并遵循相應(yīng)的測(cè)試規(guī)程，以確定設(shè)備的功率輻射是否符合所制定的規(guī)范。測(cè)試儀器設(shè)置和發(fā)送器輻射特性之間的關(guān)系對(duì)測(cè)試結(jié)果(即通過或不合格)影響很大。

本應(yīng)用筆記闡述了幅移鍵控(ASK)信號(hào)的調(diào)制譜、發(fā)送器的相位噪聲和發(fā)送器VCO瞬態(tài)頻率牽引對(duì)測(cè)試結(jié)果的影響。

ASK調(diào)制譜

可以這樣理解ASK調(diào)制譜，即用一個(gè)周期性的方波信號(hào)來調(diào)制一個(gè)RF載波信號(hào)，然后對(duì)譜線進(jìn)行修正以說明數(shù)據(jù)流的隨機(jī)性。

首先，將周期為2T的方波信號(hào)看作是數(shù)據(jù)速率為1/T的1010...不歸零(NRZ)數(shù)據(jù)序列，如圖1所示。該方波的功率譜如圖2所示，其中零頻率表示載波頻率，f0。此時(shí)，f0由歸一化的載波譜線和處于(1/2T)奇數(shù)倍頻點(diǎn)的譜線組成。每條譜線的功率與載波(零頻率)譜線的功率之比可由下式給出：

圖1. 周期為2T的方波

圖2. 周期為2T的方波的功率譜

當(dāng)ASK調(diào)制信號(hào)是真實(shí)數(shù)據(jù)時(shí)，數(shù)據(jù)的隨機(jī)性使得功率譜的譜線修正為半周正弦波。歸一化至載波頻率的功率譜密度數(shù)學(xué)表達(dá)式是：

每個(gè)旁瓣的譜密度峰值與載波頻率的譜密度之比仍然由式1求得。

圖3所示是MAX1472 ASK發(fā)送器采用4kHz方波(相當(dāng)于8kbps的數(shù)據(jù)速率)調(diào)制時(shí)的頻譜?？梢钥吹?，各旁瓣峰值均位于4kHz (即數(shù)據(jù)速率的一半)的奇數(shù)倍頻點(diǎn)處。

圖3. MAX1472 ASK發(fā)送器采用4kHz方波調(diào)制時(shí)的信號(hào)頻譜

請(qǐng)留意ASK已調(diào)信號(hào)載波譜線(或波瓣)功率和未調(diào)制(CW)載波功率之間的關(guān)系。這一點(diǎn)很重要，因?yàn)镕CC和ETSI規(guī)范有時(shí)適用于相對(duì)功率，有時(shí)適用于絕對(duì)功率。如果發(fā)送器穩(wěn)定地輻射(未調(diào)制) P0瓦功率，然后采用占空比為50%的ASK數(shù)據(jù)流進(jìn)行調(diào)制，那么調(diào)制后輻射的總功率將減半，即為P0/2。而且，調(diào)制會(huì)形成邊帶，所以頻譜的主瓣(載波)只包含了ASK已調(diào)信號(hào)一半的功率。因此，將調(diào)制旁瓣功率與發(fā)送器的CW功率相比時(shí)，等式1中的功率比應(yīng)再減去6dB(即CW功率與ASK調(diào)制后載波譜瓣功率的比值)。

舉個(gè)例子，一個(gè)輻射10mW未調(diào)制載波功率的315MHz發(fā)送器經(jīng)過ASK調(diào)制后只輻射5mW功率。在這5mW中，只有2.5m

W存在于載波波瓣中，其余的2.5mW分散在各旁瓣中。所以，當(dāng)數(shù)據(jù)速率為8kbps時(shí)(參見式1)，第101個(gè)旁瓣(距離載波頻率404kHz)的功率為：

可見旁瓣功率不僅比ASK已調(diào)信號(hào)的載波波瓣功率小44dB，而且比未調(diào)制的CW載波功率小50dB。

FCC對(duì)ASK發(fā)送器的要求

發(fā)射帶寬

FCC第15.231(c)節(jié)規(guī)定，有意發(fā)送的發(fā)射帶寬不能超過中心頻率的0.25%，其中發(fā)射帶寬由輻射譜中低于已調(diào)載波功率20dB的頻點(diǎn)決定。315MHz和433.92MHz是260MHz到470MHz無執(zhí)照頻帶中兩種最常用的頻率，與其相對(duì)應(yīng)，最大允許帶寬分別是787.5kHz

圖4和圖5分別示出了MAX1472 ASK發(fā)送器IC使用100kHz和30kHz測(cè)量帶寬時(shí)的測(cè)量頻譜，調(diào)制信號(hào)采用數(shù)據(jù)速率為19.2kbps的方波信號(hào)。計(jì)算出的功率電平和測(cè)量功率電平之間的差異是由相位噪聲、VCO瞬態(tài)牽引和峰值保持測(cè)量技術(shù)造成的。使用30kHz的分辨帶寬可以使功率測(cè)量值從-25dBc降至-30dBc，從而增加了滿足發(fā)射帶寬要求的裕度。

圖4. 頻譜分析儀采用100kHz分辨帶寬進(jìn)行FCC發(fā)射帶寬測(cè)量時(shí)，所測(cè)量的MAX1472已調(diào)信號(hào)頻譜，調(diào)制信號(hào)為9.6kHz方波信號(hào)。

圖5. 頻譜分析儀采用30kHz分辨帶寬進(jìn)行FCC發(fā)射帶寬測(cè)量時(shí)，所測(cè)量的MAX1472已調(diào)信號(hào)頻譜，調(diào)制信號(hào)為9.6kHz方波信號(hào)。

雜散輻射

FCC第15.231(b)(3)節(jié)指出，雜散輻射的信號(hào)強(qiáng)度必須保持在該節(jié)表格中列出的規(guī)定電平以下。該表格規(guī)定了載波頻率處的有意發(fā)射限制值和發(fā)射帶寬之外的雜散輻射限制值。這些雜散信號(hào)強(qiáng)度要比所允許的最大有意發(fā)送電平低20dB。也就是說，如果發(fā)送器正在輻射最大允許電平，那么發(fā)射帶寬之外的輻射功率必須比載波功率電平低20dB以上。這符合輻射最大功率時(shí)的20dB發(fā)射帶寬要求。根據(jù)CISPR-16，需使用一個(gè)準(zhǔn)峰值檢波器或者帶峰值檢波器的頻譜分析儀測(cè)量雜散輻射。除了頻譜分析儀的帶寬設(shè)置為100kHz外，該過程很像發(fā)射帶寬的測(cè)量過程。

我們應(yīng)該注意到，如果發(fā)送器輻射的不是最大允許功率，那么最大雜散輻射電平仍然采用表格中所規(guī)定的絕對(duì)信號(hào)強(qiáng)度值。這樣的話，發(fā)射帶寬外的雜散輻射可能并不需要比有意輻射功率低20dB。

ETSI對(duì)ASK發(fā)送器的要求

在歐洲，433.05MHz至434.79MHz的頻帶內(nèi)允許發(fā)送高達(dá)+10dBm的信號(hào)。滿足ETSI EN 300 220-1規(guī)范要求的主要目的是使帶外發(fā)射保持在250nW (或-36dBm)以下，并且在470MHz至862MHz頻段內(nèi)保持在4nW (或-54dBm)以下。433MHz頻帶的帶外是指433.05MHz至434.79MHz的1.74MHz頻譜之外的任意頻率。選擇433.92MHz，因?yàn)樗鼊偤锰幱陬l帶的中心頻點(diǎn)。以載波頻率為參考點(diǎn)，任何.

均功率高出10dB，從而會(huì)將測(cè)量功率提高到-36dBm，剛好滿足ETSI要求。對(duì)于8kbps數(shù)據(jù)速率，一些測(cè)量實(shí)驗(yàn)室可能堅(jiān)持使用30kHz 的分辨帶寬來接收所有主要的調(diào)制邊帶，而這會(huì)將測(cè)量值提高到-31dBm。這顯然超過了ETSI的限制要求，所以需要降低數(shù)據(jù)速率以使所有主要調(diào)制邊帶均保持在10kHz帶寬之內(nèi)。為了保證三個(gè)波瓣均在10kHz以內(nèi)，可靠的數(shù)據(jù)速率是5kbps。也可以對(duì)調(diào)制脈沖進(jìn)行波形整形，以實(shí)現(xiàn)更高的數(shù)據(jù)速率。調(diào)制脈沖整形可以極大地降低更高階調(diào)制邊帶的功率，所以即使使用了更高的測(cè)量帶寬，頻帶邊緣處的功率還是會(huì)低很多。

數(shù)據(jù)速率越低，越容易滿足ETSI的限制要求。圖6所示是用1.5kHz方波對(duì)433.92MHz、+10dBm的載波進(jìn)行ASK調(diào)制時(shí)頻譜分析儀的測(cè)量跡線，該結(jié)果是頻譜分析儀在434.79MHz (零掃描)處用3kHz帶寬測(cè)量得到的。這相當(dāng)于3kbps的數(shù)據(jù)速率。該跡線的峰值幅度大約為-45dBm，相對(duì)于+10dBm載波為-55dBc。該結(jié)果與距離載波頻率870kHz處的第581個(gè)調(diào)制邊帶的功率計(jì)算結(jié)果是一致的：相對(duì)于+10dBm為-65dBc (或-55dBm)，因?yàn)椴捎梅逯禉z波器，會(huì)在此基礎(chǔ)上增加10dB。即使采用10kHz帶寬，該調(diào)制也滿足ETSI的限制要求。

圖6. 在434.79MHz處測(cè)量的3kbps ASK已調(diào)載波的調(diào)制邊帶功率，載波頻率為433.92MHz。

這些計(jì)算結(jié)果和測(cè)量數(shù)據(jù)表明，在數(shù)據(jù)速率高于5kbps時(shí)，為了在歐洲的434MHz頻段內(nèi)輻射最大允許功率，需要進(jìn)行脈沖整形。在該測(cè)試中，ASK調(diào)制對(duì)VCO的瞬態(tài)牽引不會(huì)增加測(cè)量功率，因?yàn)樵摐y(cè)量中的分辨帶寬遠(yuǎn)低于100kHz。

ETSI 300 220-1的建議修訂版(2.1.1版本，與現(xiàn)有的1.3.1版本相對(duì))將會(huì)對(duì)幅度和ASK調(diào)制信號(hào)施加更為嚴(yán)厲的限制。它在該測(cè)量中甚至要求100kHz的分辨帶寬，而不考慮邊帶結(jié)構(gòu)。該版本目前還沒有被采納。如果被采納，在兩到三年之內(nèi)不會(huì)生效。

雜散輻射

ETSI 300 220-1第8.7節(jié)這樣定義雜散輻射：不考慮與標(biāo)準(zhǔn)調(diào)制測(cè)試相關(guān)的載波和邊帶頻率輻射，只考慮其他頻率范圍的功率輻射。該測(cè)量旨在找出無意混頻或時(shí)鐘諧波，而不考慮通過調(diào)制載波所得到的譜功率。如果可能，該測(cè)量最好在未調(diào)制載波的情況下進(jìn)行，這樣就不用再考慮調(diào)制邊帶的問題。但是仍然需要考慮測(cè)量帶寬內(nèi)發(fā)送器相位噪聲的功率電平。 在433.05MHz至434.79MHz頻帶之外允許輻射的最大功率是-36dBm，而470MHz至 862MHz頻帶范圍不包括在內(nèi)，該頻率范圍的輻射限制值是-54dBm。該功率測(cè)量方法與第8.6節(jié)中的調(diào)制邊帶測(cè)量方法不同。所測(cè)量的功率是100kHz帶寬內(nèi)的平均功率。這說明噪聲信號(hào)(比如相位噪聲)在距離載波頻率870kHz之外的輻射功率密度不能高于-86dBm/Hz (-36dBm除以100kHz帶寬)。如果發(fā)送器的CW功率是+10dBm，那么發(fā)送器的相位噪聲密度應(yīng)該低于-96dBc/Hz (-86dBm/Hz除以+10dBm未調(diào)制載波功率)。

MAX1472和MAX7044的相位噪聲譜密度大約為-91dBc/Hz，所以如果這兩個(gè)器件輻射+10dBm的CW功率，則其雜散輻射比ETSI要求的限制值高出5dB。如果這兩個(gè)器件降低輻射功率(+5dBm)，則可以滿足ETSI要求。在距離載波頻率870kHz處，MAX1479的相位噪聲譜密度是-98dBc/Hz，所以按照ETSI規(guī)定，它完全可以輻射+10dBm的功率電平。在470MHz至862MHz頻率范圍內(nèi)，-54dBm的功率限制要求可換算成-114dBc/Hz的相位噪聲密度。Maxim的所有發(fā)送器都符合該功率電平要求，因?yàn)樵擃l帶的低頻邊緣(470MHz)遠(yuǎn)離載波，所以輻射的噪聲僅僅來自于發(fā)送器的熱噪聲基底。