蓝牙射频的杂散 谐波与FCC测试解密

蓝牙射频的杂散 谐波与FCC测试解密

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首先咱有个概念，蓝牙，Wi-Fi，蜂窝技术，GPS技术都属于无线通信，这些设备之间数据通讯都通过利用James Clerk Maxwell所描述的电磁（EM）辐射特性来实现无线通信。






电磁场是什么？
当电荷施加到导线两端形成电流流过导体时，它将会产生电场和磁场。EM场像波一样以波的形式传播通过空间。实际上，可见光只是另一类EM波，它只是整个EM波谱的一小部分。该频谱包括所有波长的所有电磁场，可见光波长比无线电波短得多（比普通的2.4 GHz电信波长短10,000倍）。下图中的波形图描绘了穿过空间的EM场：




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用眼睛看不到的EM波有X射线，紫外线，红外线，还有最后但并非较不重要的：前面提到的“无线电波”。通过波群，波长，频率和波群的名称，查看下图中的EM谱图细分。请注意，频率与波长成反比：


λ [wavelength] = c [speed of light] / ƒ [frequency]


各种无线电技术通常在不同的无线电频率（RF）下工作 - 蓝牙工作在2.4 GHz（千兆赫），Wi-Fi在2.4或5 GHz，GPS通常为1575.42 MHz（兆赫），蜂窝设备可以在许多不同频率下工作，通常在700 MHz至2.6 GHz的范围内，具体取决于所在的地区，手机运营商和设备支持。出于本讨论的目的，从现在开始，我们将重点关注蓝牙低功耗（BLE）及其2.4 GHz的工作频率。




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信号杂散发射


EM频谱的无线电波部分，足以促使**机构严格规范其使用的程度。美国联邦通信**（FCC）是该领域里的监管，如果你正在非法使用EM频谱的一部分（故意或无意），他们会找到你并对你不客气。他们将无线电波频谱切割成许多部分，其中一些部分比其他部分更加松散宽泛。其中一个松散调节的频谱部分是2.4 GHz，这就是为什么许多无线消费电子产品在2.4 GHz运行的原因：BLE设备，Wi-Fi路由器，车库门开启器，无线麦克风。BLE工作在2.4 GHz ， 或更具体的说是在2.402 GHz和2.480 GHz之间。在BLE技术中，该频率范围被分成40个通道。在相同频率范围，Wi-Fi的被分成仅三个“更宽”的信道。下图显示了BLE和Wi-Fi频率分解。 BLE广播信道(频道)频率专门设计为存在于三个Wi-Fi频道之间。当两个BLE设备彼此无线连接时，它们在剩余的37个信道之间连续“跳跃”，同时彼此通话。此信道跳变有助于避免使用三个较宽信道之一或附近其他BLE设备引起的附近Wi-Fi设备造成的干扰。




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在这一点上，已经非常肯定BLE设备一定会在2.402 GHz和2.480 GHz之间的任何频率下产生EM辐射，并且FCC不希望BLE设备在该频率范围之外的任何地方产生EM辐射。杂散发射被归类为在非故意辐射的频率下的任何EM辐射 - 特别是在故意辐射一个或多个频率的电子设备的背景下。 FCC要求对所有电子设备进行测试，以确保它们不会在除故意辐射的频率之外的所有频率上辐射过强的电磁波 - 这称为电磁兼容性（EMC）测试。下图描绘了在给定频率和带宽下操作的无线设备的测试。标记为带外（out-of-band）发射域的开始/停止频率是信号带宽的函数。标记为杂散发射域连续延伸**过图像的边缘。


例如，如果信号带宽为fBW，那么在典型情况下，带外发射域将从ƒ0+/- 0.5 * fBW开始，并且杂散发射域将从ƒ0+/- 2.5 * fBW开始。如果任何域中的功率级别**域的功率限制，则设备将无法通过测试，并且需要先进行射频改进。




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谐波，杂散发射


杂散发射是电子设备正常工作产生的EM辐射时，电子设备产生的任何其它EM辐射。谐波杂散发射只是一种特殊的杂散发射。在监管认证环境中 ，例如FCC通常适用于故意以一个或多个频率产生EM辐射的无线电子设备。谐波只是单个频率的任何整数倍 - 这个单一频率通常称为基频，有时也称为一次谐波。所以你的基频（ƒ0）谐波将是：


1st harmonic = 1 x ƒ0  = fundamental frequency


2nd harmonic = 2 x ƒ0


nth harmonic = n x ƒ0


在频率与功率曲线图中，谐波达到6次谐波的基频点ƒ0如图所示。注意，频谱中还包括其他非谐波杂散发射，但这些很可能是谐波从其他基频出现。




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杂散在某种程度上来说是无法避免的，因为它是基频的低频震荡，在美国联邦通信**(FCC)的眼中，他们不希望电子产品发射杂散，挤压EM光谱。如果电子产品信道频率产生过多的EM辐射，它可能会干扰另一种电子产品。 FCC已经在频谱的所有频率上设置了特定限制，以避免这种类型的干扰和EM频谱的污染。RF干扰器设备（在美国是非法的）可以通过在特定频率或宽频率范围内产生严重EM辐射来，恶意利用EM干扰，降低附近无线电子设备接收灵敏度。在射频工程师眼中，杂散发射会非常使人头痛，有时，无线设备的杂散发射不足以**过FCC规定，但它们仍然存在，如果它们以正确的频率，正确的时间和正确的强度存在，它们会“淹没”无线电子，从而降低设备对低信号的敏感度。这基本上与干扰装置对无防御无线设备具有相同的效果，我们通常称这种行为为“自干扰”。


 


下图显示了这种自干扰过程，假设在没有详细说明的情况下，自由空间路径损耗（FSPL）就是信号源和之间由于信号在空中传播的距离而损失了多少功率。随着距离的增加，功率损耗也会增加。在较左边看侧面的圣诞树是安放“测试”天线，无线电“设备”天线显示在较左边。“噪声IC”以-70 dBm的功率发射无用噪声。噪声IC比测试天线更接近设备天线，因此噪声IC的-70 dBm发射仅通过空气衰减10 dB，相对于更远的测试天线衰减60 dB。测试天线接收的噪声功率为-70 dBm减去60 dB = -130 dBm，小于FCC的-100 dBm发射限值，因此电子设备可以通过FCC的测试。但此时设备天线接收的噪声功率电平为-70 dBm减去10 dB = -80 dBm。这对于收音机的接收器来说是不好的，因为在理想条件下它能够检测到低至-110 dBm功率电平的通信信号。但是，由于无线电接收-80 dBm的噪声，因此无法再检测到小于-80 dBm的任何通信信号。我们可以说，无线电灵敏度-110 dBm被抑制30 dB，现在有效接收器灵敏度为-80 dBm。




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定向发射与杂散


今天的大多数电子设备都属于FCC定义的以下类别之一：“杂散”和“定向发射”。定向发射设备是所提到的有意辐射特定频率的电子设备，例如BLE设备，其工作时在2.4G固定的40个频点辐射。相反，杂散辐射设备设备并非是为了无线通信目的而产生EM能量。 FCC要求“所有”电子设备接受针对杂散类别定义的测试。对此类电子产品的主要测试测量30MHz至1000MHz范围内的杂散发射。这些测试通常包括若干特殊设备，用于测量电子设备或被测设备（EUT）的发射：


1.用于接收电子测试（EUT）发出的杂散发射的天线 - 该测试天线通常放置在距离EUT 3米或10米处：


 




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2.频谱分析仪测量，测试天线拾取的杂散发射功率：


 






3. 低噪声放大器（LNA），可放大测试天线拾取的微弱RF信号，从而频谱分析仪可以实际检测从EUT发出的RF信号：


 






4.暗室 - 基本上都是一个带有金属天花板，墙壁和地板的房间，墙壁上有吸收射频能量的材料。 如果条件不允许，测试环境可由大型露天场所取代（远离任何射频能源，如手机信号塔和消费电子产品）。


 




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在FCC测试期间，EUT的发射需要在单个平面内从所有角度进行测量，通常通过将EUT放置在缓慢旋转的转盘上来完成测试。当该测试扫描无意排放时，EUT应该在活动状态下持续运行;如果被测试的电子设备包含定向EM辐射功能，应将其设置为“仅接收”模式。因为在该模式下，它不会传输EM能量。


有时，杂散发射的功率水平与频率图看起来非常“安静”，并且像下图中所示的情节一样，这种情况通常是在测量设备的背景噪声。即使测试室中没有EUT，测试设备也会测量这个噪声基底。


 




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有时测量出来的杂散有点大，但依然是符合FCC规范，设备可以达到要求~




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除了杂散测试之外，FCC还要求对无线电子设备进行更进一步的测试，专门针对其功能的操作频率进行相应测试。我们在此讨论中主要关注的测试是定向辐射时的杂散发射扫描，而EUT在其预期的传输频率下连续辐射RF功率。


针对BLE， 可以在2.402 GHz至2.480 GHz的40个信道中的任何一个上发射EM，FCC要求定向频点的杂散发射扫描分三次测试，设备将设置为在较低频率信道上连续发射（2.402 GHz） ），中频信道（2.440 GHz）和较高频率信道（2.480 GHz）发射。


此测试中较常见的测试失败是由于先前提到的谐波杂散发射（基本2.4 GHz传输的*2，*3，......*n次谐波）过高。下图显示了常见的测试扫描（通过FCC限制）可能是什么样子。请注意，2.44 GHz的基频**杂散发射限制线，这很好，二次和三次谐波出现在4.88 GHz和7.32 GHz，但低于可接受的限值。




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小结：


1.蓝牙除需要进行B认证(打蓝牙商标需要)，FCC认证也是必要的(**不干扰其他设备)。


2.杂散和谐波是RF设计指标中很重要的两个指标，如不具备专业RF设计，可把硬件设计交给专业模块厂商设计或者付费向FCC认证测试机构，天线厂家寻求咨询。


 


 


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