在前述文章中，已經(jīng)講過(guò)什么是諧波，什么是雜散，它們?yōu)楹斡泻?，以及過(guò)多雜散發(fā)射對(duì)FCC的影響。但是，如果在實(shí)際產(chǎn)品中出現(xiàn)了雜散過(guò)大，F(xiàn)CC安規(guī)過(guò)不了，該如何處理？？本文從理論上分析雜散由來(lái)，并給出一套行之有效的雜散測(cè)試，解決雜散的方法。

上圖描述的是未通過(guò)雜散測(cè)試的情況，如果你發(fā)現(xiàn)自己的無(wú)線產(chǎn)品處于這種境地，你要做的第一件事就是了解產(chǎn)生該問(wèn)題的原因。

關(guān)于設(shè)備是如何生成雜散發(fā)射，實(shí)際上只有兩種原因：

1.該設(shè)備即使在未開(kāi)啟RF功能情況下也會(huì)產(chǎn)生雜散發(fā)射，該情況通常是由于電源噪聲，高速信號(hào)或其他信號(hào)完整性問(wèn)題引起。

2.僅在設(shè)備RF工作時(shí)，設(shè)備才會(huì)產(chǎn)生雜散發(fā)射，通常又是由于以下兩種可能的原因之一：

• 無(wú)線電設(shè)備供電的電源線包含高頻噪聲，由于電源抑制比（PSR）不足，無(wú)線電設(shè)備的功率放大器會(huì)產(chǎn)生諧波。

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

知道設(shè)備只有這兩種機(jī)制會(huì)產(chǎn)生雜散發(fā)射，那么你需要回答以下問(wèn)題：

1.在RF使能期間是否失??？

2.雜散頻率是無(wú)線電諧波頻率嗎？

如果對(duì)這兩個(gè)問(wèn)題的回答都是“是”，則諧波很可能直接從無(wú)線電的RF端口發(fā)出，您可以嘗試以下方法：

1.降低數(shù)據(jù)吞吐量（DCCF將在以下部分中詳細(xì)討論）。

2.如果系統(tǒng)可以接受，嘗試降低最大發(fā)射功率。

3.濾除無(wú)線電射頻端口的諧波。

如果你的設(shè)備在測(cè)試中Failed，或者失敗的頻率不是無(wú)線電傳輸頻率的諧波，要檢查和測(cè)試的主要內(nèi)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(qǐng)驗(yàn)證該元器件進(jìn)行修復(fù)，例如屏蔽，濾波，旁路，端接，布局修改。

2.使用近場(chǎng)探頭來(lái)識(shí)別雜散發(fā)射源，然后對(duì)其進(jìn)行修復(fù)（屏蔽，過(guò)濾等）-在下面的部分中詳細(xì)介紹近場(chǎng)探頭。

1.雜散源頭

根據(jù)傅里葉變化可知，理想的數(shù)字信號(hào)（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(jí)數(shù)并檢查該傅立葉小程序http://www.falstad.com/fourier/e-lopass.html）。

我們用一個(gè)例子來(lái)說(shuō)明：

SPI協(xié)議中的信號(hào)之一是時(shí)鐘信號(hào)，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(gè)邏輯電平之間有一定的過(guò)渡時(shí)間。下圖所示的梯形波是時(shí)域中的SPI時(shí)鐘-假設(shè)頻率為1 MHz，上升時(shí)間為10 ns。但是在頻域中我們可以把該信號(hào)分解是1 MHz SPI時(shí)鐘的奇次諧波累加的結(jié)果（3、5、7等），如果我們發(fā)現(xiàn)雜散信號(hào)的頻率為1 M Hz的基數(shù)倍，我們就可以大致判斷該雜散的源頭來(lái)自該SPI的1M Hz Clk信號(hào)。

雜散測(cè)量

如果沒(méi)有條件搭建暗室，則對(duì)多臺(tái)設(shè)備進(jìn)行重復(fù)測(cè)試對(duì)找到雜散根本原因有很大幫助。進(jìn)行的測(cè)量時(shí)，斷開(kāi)設(shè)備與天線的連接，這樣可以更清楚的知道RF端口究竟產(chǎn)生了什么，然后才是測(cè)試設(shè)備天線輻射出的能量。通過(guò)將設(shè)備的天線與無(wú)線電的RF端口斷開(kāi)，并將其通過(guò)同軸電纜直接連接到頻譜分析儀，信號(hào)發(fā)生器，功率計(jì)?？梢酝ㄟ^(guò)用同軸電纜和測(cè)試設(shè)備物理替換天線，或者使用RF開(kāi)關(guān)（通常使用一個(gè)0歐姆電阻）來(lái)完成，如下面所示。

這類(lèi)測(cè)試不僅有助于調(diào)試無(wú)線RF端口發(fā)出的雜散輻射，也可做為無(wú)線電設(shè)備其他RF性能參數(shù)測(cè)試（例如發(fā)射功率電平，接收器靈敏度和誤差矢量幅度（EVM））。

近場(chǎng)探頭本質(zhì)上是一個(gè)性能很差的天線，它僅在強(qiáng)電磁輻射源的幾英寸范圍內(nèi)才與電磁場(chǎng)耦合。通過(guò)將近場(chǎng)探頭連接到頻譜分析儀，可以看到從靠近近場(chǎng)探頭的源頭發(fā)出的EM輻射。當(dāng)需要將雜散輻射源標(biāo)識(shí)到電路上的特定位置并且其他方法不成功時(shí)，這時(shí)是非常有用。近場(chǎng)探頭具有各種形狀和大小，如下圖所示。

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

當(dāng)處理非常低的功率發(fā)射（通常引起自靜噪的功率發(fā)射）時(shí)，頻譜分析儀可能無(wú)法檢測(cè)到近場(chǎng)探頭拾取的微弱信號(hào)。在這些情況下，可能需要寬帶低噪聲放大器（LNA）來(lái)放大近場(chǎng)探頭拾取的微弱信號(hào)，從而使頻譜分析儀能夠檢測(cè)到該信號(hào)。

2.雜散解決方法

調(diào)節(jié)占空比校正因子（DCCF: Duty Cycle Correction Factor）

在FCC的有關(guān)射頻設(shè)備分類(lèi)說(shuō)明下，有一小部分適用于BLE：該部分需要一個(gè)設(shè)備至少在15個(gè)頻道之間跳頻，而B(niǎo)LE設(shè)備在廣告或信標(biāo)模式下只在3個(gè)頻道之間跳頻（37，38，39通道）。

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

§15.249中規(guī)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(dāng)輻射發(fā)射限值以發(fā)射平均值表示，并且采用脈沖形式輸出（例如BLE）時(shí)，則可以從峰值測(cè)量中計(jì)算出其平均值。

通常將峰值測(cè)量值轉(zhuǎn)換為平均值，即為計(jì)算DCCF。DCCF占空比為導(dǎo)通時(shí)間與關(guān)閉時(shí)間的比率。例如，開(kāi)啟時(shí)間為10毫秒，關(guān)閉時(shí)間為90毫秒，開(kāi)啟時(shí)間為10毫秒的發(fā)射信號(hào)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(hào)，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(cè)量值轉(zhuǎn)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(fā)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(jí)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(cè)量值，并通過(guò)計(jì)算出的DCCF減去該值以獲得平均值，并確保計(jì)算出的平均值低于FCC定義的平均值限值。

計(jì)算的平均發(fā)射值[dBμV / dBm] = 測(cè)得的峰值發(fā)射值[dBμV / dBm] – DCCF [dB]

我們利用上述公式計(jì)算BLE連接狀態(tài)下TX時(shí)的DCCF(RF最大發(fā)射占空比情況)。前述文章有解釋了BLE V4. & V5.0在連接狀態(tài)下的數(shù)據(jù)包長(zhǎng)度，從20個(gè)字節(jié)的最大包長(zhǎng)限制提高到多達(dá)244個(gè)字節(jié)的包長(zhǎng)。 在此處，我們考慮以下極限情形，如下圖所示：

數(shù)據(jù)長(zhǎng)度擴(kuò)展已啟用

數(shù)據(jù)速率= 1 Mbit / s或1 * 10 ^ -6秒/位或1 μs /位

每個(gè)數(shù)據(jù)包的傳輸位= 265 * 8 = 2120位/數(shù)據(jù)包每個(gè)數(shù)據(jù)包的傳輸時(shí)間= 1 μs /位* 2120位/數(shù)據(jù)包= 2120 μs /數(shù)據(jù)包

每個(gè)連接間隔中的數(shù)據(jù)包= 2個(gè)

連接間隔 = 7.5毫秒

以dBuV / m尺度進(jìn)行的輻射測(cè)量（電場(chǎng)強(qiáng)度）

使用此信息，我們可以確定發(fā)射占空比，如下所示：

DutyCycle =每個(gè)數(shù)據(jù)包的傳輸時(shí)間（以秒為單位）* 每個(gè)間隔的數(shù)據(jù)包/連接間隔，以秒為單位

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

現(xiàn)在，由dB μVm電場(chǎng)強(qiáng)度標(biāo)度，可以使用20 * log（1 / DutyCycle）公式來(lái)計(jì)算DCCF：

DCCF = 20 *log（1 / 0.57）  ≈5dB

使用該DCCF值，將峰值發(fā)射測(cè)量值轉(zhuǎn)換為計(jì)算出的平均值，為了簡(jiǎn)單起見(jiàn)，假設(shè)平均值極限為10 dBμV / m，而EUT測(cè)得的峰值發(fā)射為11 dBμV / m，下降了1 dB。然后，可以將計(jì)算出的5 dB DCCF應(yīng)用于測(cè)量的11 dBμV / m峰值發(fā)射，以轉(zhuǎn)換為計(jì)算得出的6 dBμV / m的平均發(fā)射，現(xiàn)在超過(guò)4 dB。

當(dāng)然，對(duì)于其他BLE應(yīng)用，此計(jì)算結(jié)果略有不同，但是上述計(jì)算代表BLE實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景中的最大發(fā)射占空比，以后可以直接使用該理論值，將峰值發(fā)射測(cè)量值降低5 dB，以獲得平均值。

但是，如果從峰值測(cè)量值中減去DCCF不足以使您的設(shè)備的發(fā)射達(dá)到合格水平怎么辦？你可以進(jìn)一步降低傳輸占空比，以獲得更大的DCCF，這將足以使設(shè)備的發(fā)射達(dá)到合規(guī)水平（前提是你的應(yīng)用程序可以接受這種低數(shù)據(jù)傳輸率），這意味著降低了數(shù)據(jù)傳輸速率。但也嘗試通過(guò)其他方式降低峰值發(fā)射，例如降低設(shè)備的最大發(fā)射功率或試圖了解諧波發(fā)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(shí)，會(huì)把供電電源的噪聲帶入RF放大器中，這是導(dǎo)致射頻輸出端口出現(xiàn)諧波輻射的常見(jiàn)原因。下圖描述了電源低頻噪聲（Fsw）對(duì)射頻RF輸出端產(chǎn)生的諧波影響。

如果這些諧波離您的無(wú)線電射頻板足夠遠(yuǎn)（f 0 -f SW << f 0 << f 0 + f SW），那么有時(shí)可以簡(jiǎn)單地在RF輸出處對(duì)其進(jìn)行濾波。然而，這些高次諧波頻率通?？拷黂F輸出頻率，過(guò)濾諧波也可能會(huì)過(guò)濾掉RF調(diào)制輸出的載波。在這種情況下，必須從電源上消除噪聲，有時(shí)可能需要添加RC緩沖電路，選擇無(wú)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?chē)腜CB布局。

解決自靜噪

當(dāng)無(wú)線電子設(shè)備在無(wú)線電頻段內(nèi)的頻率（在BLE情況下為2.402 GHz至2.480 GHz）中產(chǎn)生雜散發(fā)射并且其強(qiáng)度足以被其他無(wú)線設(shè)備的天線接收時(shí)，你會(huì)面臨自靜噪問(wèn)題。這會(huì)導(dǎo)致接收器靈敏度性能下降，通常工程師都不恰當(dāng)?shù)貙⑵錃w咎于“測(cè)距差”或“天線不良”。下圖中說(shuō)明了這種自靜噪情況，其中“雷電”表示EM場(chǎng)強(qiáng)。自靜噪并不是一個(gè)容易克服的問(wèn)題，解決和避免這些問(wèn)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(rèn)自靜噪實(shí)際上是無(wú)線電靈敏度或RF接收范圍降低的原因。您可以通過(guò)測(cè)試來(lái)診斷自己的靜噪程度，但你將需要一個(gè)可重復(fù)測(cè)試的受控環(huán)境，下面列表包含用于診斷自我靜噪的測(cè)試設(shè)備（基本款和復(fù)雜款）：

射頻隔離：大，開(kāi)闊場(chǎng)廣場(chǎng)（基本）或暗室（復(fù)雜）

信號(hào)發(fā)生器：信號(hào)發(fā)生器，TX標(biāo)準(zhǔn)件（基本）或功率可調(diào)信號(hào)發(fā)生器（復(fù)雜）

在下面的圖所示的基本測(cè)試設(shè)置示例中，請(qǐng)按照以下步驟診斷自靜噪：

尋找一個(gè)大而平坦的場(chǎng)地，將EUT(electronic under test，被測(cè)設(shè)備

)放在場(chǎng)地一端的固定位置，將TX標(biāo)準(zhǔn)件移到該字段的另一端（遠(yuǎn)離EUT），使它們恰好能保持連接為好。被測(cè)設(shè)備與標(biāo)準(zhǔn)件之間的距離為d1。

分離被測(cè)件EUT與EUT天線之間的距離d2，同時(shí)將EUT天線保持在固定位置。

檢查以確保現(xiàn)在可以通過(guò)將標(biāo)準(zhǔn)件移離EUT天線更遠(yuǎn)，來(lái)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(wèn)題，可以通過(guò)將EUT的天線遠(yuǎn)離EUT噪聲源進(jìn)一步緩解。

如果你的系統(tǒng)可以接受簡(jiǎn)單的將天線從電路板上移開(kāi)，那問(wèn)題就簡(jiǎn)單很多。但大多數(shù)情況下是不可能的，尤其是當(dāng)天線集成在電路板上而不是使用外部天線時(shí)。當(dāng)你不能將天線從電路板上移開(kāi)時(shí)，必須通過(guò)其他方式阻止自靜噪時(shí)，一種常見(jiàn)的辦法是在PCB上可能產(chǎn)生噪聲源頭周?chē)黾悠帘螌樱禾幚砥?，高速存?chǔ)器，時(shí)鐘，開(kāi)關(guān)電源，其他快速上升的數(shù)字信號(hào)。在這些情況下，工程師在設(shè)計(jì)PCB時(shí)通常預(yù)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(méi)有幫助，那么下一步就是要研究自靜噪的來(lái)源。如果幸運(yùn)的話，你可以使用近場(chǎng)探頭和頻譜分析儀找到自靜噪發(fā)射源。如果你不走運(yùn)，或者噪聲發(fā)射能量太低而無(wú)法使用近場(chǎng)探頭進(jìn)行測(cè)量，或者組件太小且間隔太近而無(wú)法使用近場(chǎng)探頭將特定組件進(jìn)行測(cè)量，那么，好吧，在保持RF功能正常情況下，可以關(guān)閉或移除電路的哪些組件？如果關(guān)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(chǎn)生雜散發(fā)射。如果您隨后退后一步，僅禁用主控芯片的SPI信號(hào)，靈敏度仍然得到改善，你就會(huì)知道SPI信號(hào)給你帶來(lái)了麻煩。

3.經(jīng)驗(yàn)分享

有許多經(jīng)驗(yàn)可以抑制這些雜散發(fā)射，下面是一些經(jīng)驗(yàn)分享：

具有快速電平轉(zhuǎn)換時(shí)間的數(shù)字信號(hào)：

• 增加高頻濾波。

• 通過(guò)串電阻端接來(lái)防止有害的信號(hào)反射。

電源輸出紋波過(guò)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(hào)走線或不良的電源PCB布局/堆疊技術(shù)：

• 對(duì)于具有快速邏輯電平轉(zhuǎn)換的所有信號(hào)，電流路徑最小化。

• 避免在電源和接地平面上出現(xiàn)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(qǐng)?jiān)谥袛嘀車(chē)酚筛咚傩盘?hào)。

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

針對(duì)高速或大功率信號(hào)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(wú)線設(shè)備也一并適用，您覺(jué)得有用的話，就請(qǐng)收藏一下吧！