FCC和ETSI對工作于ISM頻段(包括315MHz和433.92MHz)的幅移鍵控(ASK)發(fā)送器的輻射功率進行了限制，本應(yīng)用筆記將對這些限制規(guī)定進行說明。同時論述了驗證發(fā)送器能否滿足輻射限制要求所采用的特定測試方法，以及可能影響測試結(jié)果的測試參數(shù)。根據(jù)ASK調(diào)制方式的理論頻譜和實測頻譜，并結(jié)合頻譜分析儀實測的ASK發(fā)送器輻射跡線，闡述了通過這些測試的必要條件。
概述
針對用于遙控鑰匙(RKE)、家庭自動化、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。測試儀器設(shè)置和發(fā)送器輻射特性之間的關(guān)系對測試結(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)頻率牽引對測試結(jié)果的影響。
ASK調(diào)制譜
可以這樣理解ASK調(diào)制譜，即用一個周期性的方波信號來調(diào)制一個RF載波信號，然后對譜線進行“修正”以說明數(shù)據(jù)流的隨機性。
首先，將周期為2T的方波信號看作是數(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，f0由歸一化的載波譜線和處于(1/2T)奇數(shù)倍頻點的譜線組成。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：
每個旁邊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)制時的頻譜。可以看到，各旁邊峰值均位于4kHz (即數(shù)據(jù)速率的一半)的奇數(shù)倍頻點處。
請留意ASK已調(diào)信號載波譜線(或波邊)功率和未調(diào)制(CW)載波功率之間的關(guān)系。這一點很重要，因為FCC和ETSI規(guī)范有時適用于相對功率，有時適用于絕對功率。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)制會形成邊帶，所以頻譜的主邊(載波)只包含了ASK已調(diào)信號一半的功率。因此，將調(diào)制旁邊功率與發(fā)送器的CW功率相比時，等式1中的功率比應(yīng)再減去6dB(即CW功率與ASK調(diào)制后載波譜邊功率的比值)。
舉個例子，一個輻射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2.5mW存在于載波波邊中，其余的2.5mW分散在各旁邊中。所以，當(dāng)數(shù)據(jù)速率為8kbps時(參見式1)，第101個旁邊(距離載波頻率404kHz)的功率為：
可見旁邊功率不僅比ASK已調(diào)信號的載波波邊功率小44dB，而且比未調(diào)制的CW載波功率小50dB。
FCC對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，與其相對應(yīng)，最大允許帶寬分別是787.5kHz (±394kHz)和1.085MHz (±542kHz)。
由上述ASK譜功率的計算公式可知，只要確定了功率比載波頻率處的波邊功率至少低20dB以上的旁邊，就可以很容易地預(yù)測ASK已調(diào)信號的20dB帶寬。根據(jù)式1，第7個旁邊功率比載波頻率處的波邊功率小20.8dB。所以，20dB帶寬應(yīng)該是一半數(shù)據(jù)速率的±7倍。對于10kbps的數(shù)據(jù)速率，20dB發(fā)射帶寬應(yīng)該是70kHz。在距離載波頻率500kHz的頻點處(近似于0.25%帶寬限的一側(cè))，10kbps的功率譜應(yīng)該比載波頻率處的波邊功率小44dB。
事實上，實測的20dB帶寬以及距離載波頻率500kHz處的譜功率均比計算值大，這是基于以下三個原因：
1 FCC要求測量設(shè)備的分辨帶寬要比調(diào)制旁邊寬；
2 合成振蕩器的相位噪聲會增加旁邊的功率；
3 ASK調(diào)制對VCO的輕微牽引使得測試結(jié)果中出現(xiàn)瞬態(tài)頻率成分。
FCC的測量帶寬，即測量儀器的帶寬設(shè)置，不容易確定而且有例外情況。FCC的第15.231(b)(2)節(jié)參考FCC的第15.205節(jié)，而FCC的第15.205節(jié)又參考FCC的第15.35節(jié)，F(xiàn)CC的第15.35節(jié)最終又參考CISPR的第16版。CISPR-16指出，對于1GHz以下的發(fā)射應(yīng)用，如果使用準(zhǔn)峰值檢波器，則測量帶寬設(shè)置為120kHz；如果使用具有峰值檢波功能的頻譜分析儀，則測量帶寬采用100kHz。對于幾kbps的數(shù)據(jù)速率，用該測量帶寬來確定發(fā)射帶寬似乎很大。
幸好，還有一個更窄、更實際的FCC測量帶寬規(guī)范。它并沒有記錄在任何文檔中，但是相容性測試公司均了解這一規(guī)范，并且可以在FCC的網(wǎng)站Office of Engineering and Technology上得到證實。這一鮮為人知的規(guī)范指出，測量帶寬必須至少是允許的20dB發(fā)射帶寬的1%。所以對于315MHz的信號，787.5kHz帶寬的1%大約為8kHz，那么將頻譜分析儀的帶寬設(shè)置為10kHz即可滿足要求。而對于433.92MHz的信號，1.085MHz帶寬的1%略大于10kHz。此時頻譜分析儀的帶寬必須設(shè)置為30kHz，因為這是10kHz以上最接近10kHz的設(shè)置。對于315MHz和433.92MHz中的任意一種信號，測量帶寬都低于100kHz。
不同廠商生產(chǎn)的鎖相環(huán)(PLL)發(fā)送器的相位噪聲譜密度會有很大的不同。在距離載波頻率500kHz處測量時，RF CMOS發(fā)送器的相位噪聲密度介于-85dBc/Hz和-90dBc/Hz之間。這說明在100kHz最大FCC帶寬內(nèi)測量的相位噪聲比距離載波頻率500kHz處的功率小35dB以上。若數(shù)據(jù)速率較低，當(dāng)測量距離載波頻率500kHz處的頻譜時，相位噪聲的存在會增加調(diào)制譜的測量值，盡管其理論旁邊功率電平比載波波邊功率小35dB以上。
如果使用較寬的測量帶寬(如100kHz)，由于ASK調(diào)制對VCO的瞬態(tài)牽引，會使測量的譜高度增加5dB。具有“Max Hold” (最大值保持)功能的寬分辨率濾波器可以檢測到這些只存在幾微秒的瞬態(tài)頻譜變化。將濾波器的分辨帶寬減小到30kHz或更低時，可以基本消除這一現(xiàn)象對測量頻譜的影響。
采用FCC所要求的峰值檢波器或“Max Hold”設(shè)置時，鑒于以上三種因素的影響，會使測量功率增加多達10dB。因此，距離載波頻率500kHz頻點處的發(fā)射帶寬測量頻譜可能只比載波功率小20dB到25dB，盡管理論上調(diào)制譜要小35dB到55dB。由于理論頻譜和測量頻譜之間存在這一巨大差異，高數(shù)據(jù)速率的ASK發(fā)送器在進行FCC測試時可能出現(xiàn)問題。因為FCC要求考慮所有影響因素后，距離載波頻率大約500kHz處的頻譜要比載波波邊功率小20dB。對應(yīng)不同的數(shù)據(jù)速率，表1列出了距離載波頻率500kHz處ASK調(diào)制邊帶的理論譜高度。同時也給出了采用100kHz、30kHz和10kHz帶寬時測量的功率。
表1. 用于FCC發(fā)射帶寬測量的ASK邊帶理論功率電平
| Data Rate (kbps) | Sideband Number at 500kHz | Sideband (dBc) | dBc in 100kHz BW | dBc in 30kHz BW | dBc in 10kHz BW |
| 2 | 501 | -58 | -41 | -46 | -51 |
| 4 | 251 | -52 | -38 | -43 | -48 |
| 8 | 125 | -46 | -35 | -40 | -45 |
| 10 | 101 | -44 | -34 | -39 | -44 |
| 20 | 51 | -38 | -31 | -36 | -41 |
| 100 | 11 | -25 | -25 | -28 | -32 |
圖4和圖5分別示出了ASK發(fā)送器IC使用100kHz和30kHz測量帶寬時的測量頻譜，調(diào)制信號采用數(shù)據(jù)速率為19.2kbps的方波信號。計算出的功率電平和測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”測量技術(shù)造成的。使用30kHz的分辨帶寬可以使功率測量值從-25dBc降至-30dBc，從而增加了滿足發(fā)射帶寬要求的裕度。
圖5. 頻譜分析儀采用30kHz分辨帶寬進行FCC發(fā)射帶寬測量時，所測量的已調(diào)信號頻譜，調(diào)制信號為9.6kHz方波信號。
雜散輻射
FCC第15.231(b)(3)節(jié)指出，雜散輻射的信號強度必須保持在該節(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。這些雜散信號強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的20dB發(fā)射帶寬要求。根據(jù)CISPR-16，需使用一個準(zhǔn)峰值檢波器或者帶峰值檢波器的頻譜分析儀測量雜散輻射。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)定的絕對信號強度值。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+10dBm的信號。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，因為它剛好處于頻帶的中心頻點。以載波頻率為參考點，任何±870kHz之外的發(fā)射都屬于“帶外”。有兩個發(fā)射類別要符合-36dBm限制要求。第一類是落在±870kHz之外的信號調(diào)制邊帶。第二類是雜散輻射。
調(diào)制邊帶
使用上述的式1至式3可以構(gòu)成表2，表2與表1類似，只是與載波頻率的距離改為870kHz，而不再是FCC要求的近似500kHz。
表2. 用于ETSI調(diào)制邊帶測量的ASK邊帶理論功率電平
| Data Rate (kbps) | Sideband Number at 870kHz | Sideband (dBc) | Min. Meas. Res. BW (kHz) | dBc in Meas. BW |
| 2 | 871 | -63 | 3 | -61 |
| 4 | 435 | -57 | 10 | -53 |
| 8 | 219 | -51 | 10 | -50 |
| 10 | 175 | -49 | 10 | -49 |
| 20 | 87 | -43 | 30 | -41 |
| 100 | 19 | -29 | 100 | -29 |
如圖3所示，對應(yīng)8kbps數(shù)據(jù)速率，每個邊帶都是以4kHz的奇數(shù)倍頻率為中心的。也就是說，4kHz的第219個諧波邊帶是距離載波頻率870kHz以外的第一個完整邊帶，而且該邊帶的總功率必須低于-36dBm。根據(jù)表2，第219個邊帶的功率比載波波邊譜高度低51dB，看起來可很好地滿足低于-36dBm這一限制要求。由于+10dBm限制值對應(yīng)未調(diào)制載波的測量發(fā)送功率(ETSI EN 300 220-1，第8.2節(jié))，邊帶功率實際上比未調(diào)制的載波功率低57dB，看起來效果更好。在發(fā)送器輻射+10dBm最大允許功率的情況下，計算的邊帶功率是-47dBm，比-36dBm的限制要求低11dB。與FCC規(guī)定的情況一樣，發(fā)送器的相位噪聲和功率測量技術(shù)會提高測量的功率電平，使其高于理論值。
ETSI EN 300 220-1的第8.6節(jié)對該調(diào)制及其測量過程進行了說明。測量規(guī)程中指出，接收器(或頻譜分析儀)的帶寬需要足夠大以接收所有主要的調(diào)制邊帶，并且要求測量峰值功率(頻譜分析儀設(shè)置為“Max Hold”)。標(biāo)準(zhǔn)的頻譜分析儀帶寬設(shè)置包括1kHz、3kHz和10kHz等，圖2和圖3表明至少需要10kHz帶寬以覆蓋載波波邊和兩個主要邊帶。10kHz帶寬包含了一個邊帶(8kHz零點至零點間距)和一小部分鄰近邊帶，這使得測量的功率為-46dBm，比一個邊帶的實際功率大1dB。峰值功率測量可能比平均功率高出10dB，從而會將測量功率提高到-36dBm，剛好滿足ETSI要求。對于8kbps數(shù)據(jù)速率，一些測量實驗室可能堅持使用30kHz 的分辨帶寬來接收所有主要的調(diào)制邊帶，而這會將測量值提高到-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)。為了保證三個波邊均在10kHz以內(nèi)，可靠的數(shù)據(jù)速率是5kbps。也可以對調(diào)制脈沖進行波形整形，以實現(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量帶寬，頻帶邊緣處的功率還是會低很多。
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433.92MHz、+10dBm的載波進行ASK調(diào)制時頻譜分析儀的測量跡線，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，相對于+10dBm載波為-55dBc。該結(jié)果與距離載波頻率870kHz處的第581個調(diào)制邊帶的功率計算結(jié)果是一致的：相對于+10dBm為-65dBc (或-55dBm)，因為采用峰值檢波器，會在此基礎(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。
這些計算結(jié)果和測量數(shù)據(jù)表明，在數(shù)據(jù)速率高于5kbps時，為了在歐洲的434MHz頻段內(nèi)輻射最大允許功率，需要進行脈沖整形。在該測試中，ASK調(diào)制對VCO的瞬態(tài)牽引不會增加測量功率，因為該測量中的分辨帶寬遠低于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)將會對幅度和ASK調(diào)制信號施加更為嚴(yán)厲的限制。它在該測量中甚至要求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。該測量旨在找出無意混頻或時鐘諧波，而不考慮通過調(diào)制載波所得到的譜功率。如果可能，該測量最好在未調(diào)制載波的情況下進行，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。該功率測量方法與第8.6節(jié)中的調(diào)制邊帶測量方法不同。所測量的功率是100kHz帶寬內(nèi)的平均功率。這說明噪聲信號(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)。
相位噪聲譜密度大約為-91dBc/Hz，所以如果這兩個器件輻射+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，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。所有發(fā)送器都符合該功率電平要求，因為該頻帶的低頻邊緣(470MHz)遠離載波，所以輻射的噪聲僅僅來自于發(fā)送器的熱噪聲基底。
粵公網(wǎng)安備 44030902003195號