扩频调制技术原理及在电磁兼容整改中的应用
网络整理 2022-12-02
扩频调制技术本身是在通信领域用来处理数字周期信号的一种技术。近年来,人们将这种技术应用在EMC领域,使它成为了一种处理EMC问题的新方法,扩频调制技术也被称为频率抖动技术。本文先说明扩频调制技术改善产品EMC性能的原理,然后通过实际的整改案例,说明它在实际中的应用,同时介绍一种简单的具有扩频功能的IC。文章最后对扩频调制技术的特点和应用做一个小结。

扩展调制技术改善EMC性能的原理

扩频调制技术能够有效的降低EMI骚扰水平。下面用一个40MHz的时钟信号举例说明其原理。该时钟信号未经调制时,在时域上的波形为图1a,在频域上的波形表现为(基波加谐波)图1b:
40MHz时钟信号的时域波形
图1a 40MHz时钟信号的时域波形

40MHz时钟信号的频域波形
图1b 40MHz时钟信号的频域波形


该时钟信号经过扩频调制后,时域上和频域(基波加谐波)上的波形分别变为图2a和图2b:

40MHz时钟信号扩频后的时域波形
图2a  40MHz时钟信号扩频后的时域波形

40MHz时钟信号扩频后的频域波形
图2b  40MHz时钟信号扩频后的频域波形


从这几张曲线来看,时钟信号经过扩频之后,时域上的波形变为了宽窄不等的方波,频率也不再是单一的数值,而是一个范围(例中调制后的频率范围变为39M-41MHz);在频域上,频谱也不再是孤立的峰,而是变为接近梯形的一个形状。


一个时钟信号经过扩频调制后的波形通常如图3所示。由于扩频调制后的时钟信号频率变得不再唯一,上升和下降沿的产生时间也在一个短的时间范围内变得随机。这个特定的时间范围是可控的。扩频调制技术就是通过将集中在同一频率带的频谱分散到更多的频带,以降低原来固定频率时的骚扰电平。

时钟信号扩频后的时域波形图
图3   时钟信号扩频后的时域波形图


扩频调制的结果就是使得信号的频谱带宽变宽,使被测设备的骚扰在较宽的频谱上均分,通过这种途径来使其通过EMC测试。接收机的分辨率带宽一般保持不变,当骚扰的谱线变宽后,这时一部分能量就落在了分辨率带宽以外,从而测量值也相应变小。采用扩频调制,通常可以使被测设备的骚扰水平显著降低6~20dB之多。但是需要注意的是,它并不改变整个频率范围的骚扰能量。


采用扩频调制技术解决EMC问题的整改案例
 
某企业生产的具有TV接收功能的便携式DVD产品,需要通过CE认证,在进行辐射骚扰场强测试时骚扰超标。测试曲线(水平极化)如图4所示:

带TV功能的便携式DVD辐射测试初测曲线
图4   带TV功能的便携式DVD辐射测试初测曲线


从图中可以看出,该产品超标严重。由于被测样机是便携式产品,内部空间极小,且样机采用塑料外壳,换上喷涂了导电漆的外壳后,辐射测试仍然不合格。但是从辐射测试曲线上看,超标频点多为样机内部时钟频率的谐波,企业于是决定采用扩频调制技术。

企业采用了某芯片厂家生产的型号为PCS3P7303AG的扩频IC,其主要性能特点有:它是一款多功能的抑制EMI的IC,既可以输入来源于晶振的时钟信号,也可以输入一个外部参考时钟信号;频率输入和输出范围都是10MHz~80MHz;具有频率选择功能;提供可选的扩频调制工作模式,由外接电阻进行控制。

由于PCS3P7303AG具有以上特点,它特别适用于对晶振时钟的扩频处理。PCS3P7303AG的引脚定义如下(表1):

表1   PCS3P7303AG的引脚定义
PCS3P7303AG的引脚定义

企业采用了IC厂家推荐的典型的外接电路,该电路原理图如图5:

IC厂家推荐的典型的外接电路
图5 典型的外接电路


企业在该电路加了解码板27MHz晶振的输出端,以实现对晶振时钟的扩频调制。另外,由于企业用的是MTK公司的解码方案,该方案本身带有扩频功能,可以对主芯片和SDRAM的通信时钟121.5MHz进行扩频调制,企业整改时也打开了这个功能。

改板后重测的辐射曲线为图6(水平极化):
采用扩频调制技术后的辐射测试曲线
图6   采用扩频调制技术后的辐射测试曲线


重测的结果虽然仍旧不合格,但是和之前的测试曲线相比,已经发生了明显的改善。在对例如162MHz等这些晶振的谐波频率进行单点测量时,也可以明显的看到扩频后频谱发生的变化。在这个测试结果的基础上,企业又加上了滤波技术,最终使样机顺利通过测试。滤波不是本文重点,相关的整改措施就不列出。


扩频调制技术的特点

专用的具有扩频调制功能的IC现在主要用来处理晶振这种时钟源,而对于主芯片发出的时钟,由于加入扩频时会产生时序问题,目前还用的不多。本文中的PCS3P7303AG型扩频IC,主要用在便携式DVD、数码相框、电子阅读器和手机等数码设备上。对于液晶电视机和液晶显示器这一类产品,由于主要的方案商(M-STAR和MTK等)都在各自的芯片中加入了扩频调制功能,如果实际测试中需要进行扩频处理,只需在软件中输入口令打开这一功能即可。对时钟进行扩频调制后,有可能会影响到产品的一些性能指标,但只要扩频IC外围电路的参数选择合适,还是可以将其对产品的影响控制在最小范围。

扩频调制技术利用了测量接收机在工作方式上的“漏洞”,但是目前全球范围内都接受了这种方法。扩频调制技术在对干扰的处理效果上与滤波技术有点类似,但是原理上与滤波技术又有很大的差别,两者的对比如下:

①扩频调制技术的效果仅仅是使被测设备容易通过EMC测试,在整个频率范围内,骚扰能量并没有发生改变。滤波技术是将不需要的能量滤掉,以此来降低干扰的幅度。
②扩频调制技术未改变脉冲的上升/下降沿,而滤波技术通常是延缓了脉冲的上升沿,从而降低高次谐波分量。
③滤波技术通常使用的是低通滤波,也就是仅滤掉较高次的谐波,而扩频调制技术对低频甚至对基波都有降低骚扰幅度的作用。


本文讨论了扩频调制技术在EMC整改中的应用。作为一个新的技术,扩频调制目前已经在EMC中有了很多的应用场合,除了文中介绍的处理晶振时钟的扩频IC,现在已经有针对开关电源开关频率进行扩频处理的扩频IC,和针对某一具体产品而开发的扩频调制模块,例如针对D类功放内部工作频率的扩频调制器等等。可以说,在时钟频率越来越高的今天,扩频调制技术的应用,给解决EMC问题提供了一条崭新的思路。

作者:郭远东,全国电磁兼容标准化技术委员会A分会(SAC/TC246/SC2)委员;全国无线电干扰标准化技术委员会30MHz以下辐射发射工作组成员;广东省质监协会专家组成员;美国密苏里大学(University of Missouri)在读博士
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