FCC和ETSI對短程UHF ASK調(diào)制發(fā)射器的要求

政府對用于遠(yuǎn)程無鑰匙進(jìn)入 （RKE）、家庭自動化、家庭安全、胎壓監(jiān)測系統(tǒng) （TPMS） 和其他需要短程設(shè)備 （SRD） 的應(yīng)用的未經(jīng)許可的發(fā)射器的有意和無意輻射功率有限制。這些限制由每個國家或地區(qū)的監(jiān)管機(jī)構(gòu)制定。根據(jù)其影響的市場規(guī)模，兩個最具影響力的機(jī)構(gòu)是美國的FCC和歐洲的ETSI。

本應(yīng)用筆記介紹了適用于ISM頻段（包括315MHz、433.92MHz、868.35MHz和915MHz）的幅度移控（ASK）發(fā)射器的FCC和ETSI輻射限值。討論證明符合這些限制所需的特定測試，以及可能影響測試結(jié)果的測試參數(shù)。ASK調(diào)制的計算和測量頻譜以及MAX41462 ASK發(fā)送器的頻譜分析儀跡線說明了通過這些測試的必要條件。

介紹

美國的聯(lián)邦通信委員會 （FCC） 和歐洲的歐洲電信標(biāo)準(zhǔn)協(xié)會 （ETSI） 都規(guī)定了用于遙控?zé)o鑰匙進(jìn)入 （RKE）、家庭自動化、家庭安全和其他無線電控制設(shè)備的未經(jīng)許可的發(fā)射器的輻射功率水平限制。功率限制既適用于預(yù)期的傳輸，也適用于來自這些設(shè)備的意外或雜散傳輸。與這些限制相關(guān)的是用于確定設(shè)備是否在既定準(zhǔn)則范圍內(nèi)輻射的測試程序。測試儀器設(shè)置與發(fā)射機(jī)輻射特性之間的關(guān)系對于測試結(jié)果（即通過或失?。┓浅Ｖ匾?。

本應(yīng)用筆記顯示了幅移鍵控（ASK）信號的調(diào)制頻譜、發(fā)射機(jī)的相位噪聲以及發(fā)射機(jī)VCO的瞬態(tài)頻率牽引如何影響鑒定測試。

請注意，本應(yīng)用筆記已針對最新的低于1GHz的ETSI監(jiān)管要求進(jìn)行了更新。

ASK調(diào)制頻譜

了解ASK調(diào)制頻譜的一種方法是從周期性方波調(diào)制RF載波開始，然后“涂抹”頻譜線以解釋數(shù)據(jù)流的隨機(jī)性。

首先，將圖2中周期1T的方波視為1010...數(shù)據(jù)速率為 1/T 的不歸零 （NRZ） 數(shù)據(jù)序列。該方波的功率譜如圖2所示，其中零頻率取為載波頻率f0。在這種情況下，f0由載波處的一條線組成，我們已經(jīng)將其歸一化為單位，以及奇數(shù)倍的線（1/2T）。每條線路中的功率與載波（零頻率）線路中的功率之比定義為：

P（±n）/P（0） = （2/np）2，或以dB為單位，-20log10（2/np）

圖1.周期2T的方波。

圖2.周期為2T的方波的功率譜。

當(dāng)ASK調(diào)制是真實數(shù)據(jù)時，數(shù)據(jù)的隨機(jī)性會導(dǎo)致功率譜，其中每條線被拖入半正弦波周期。頻譜的數(shù)學(xué)表示，歸一化為載波頻率下的頻譜密度，為：

P（f）/P（0） = [sin（pfT）/pfT]2

每個旁瓣的頻譜密度峰值與載波頻率處的頻譜密度之比仍由公式1給出。

圖3所示為MAX41462 ASK發(fā)送器的頻譜。請注意，旁瓣峰值位于5kHz的奇數(shù)倍，是數(shù)據(jù)速率的一半。

圖3.MAX41462 ASK發(fā)送器頻譜，具有10kHz調(diào)制。

請注意ASK調(diào)制信號的載波線（或波瓣）中的功率與未調(diào)制（CW）載波的功率之間的關(guān)系。這很重要，因為FCC和ETSI法規(guī)有時適用于相對功率，有時適用于絕對功率。如果發(fā)射器輻射P0瓦的穩(wěn)定（未調(diào)制）載波，然后由50%占空比ASK數(shù)據(jù)流調(diào)制，則輻射的總功率減半，即P0/2。此外，由于調(diào)制會產(chǎn)生所有這些邊帶，因此ASK調(diào)制信號中只有一半的功率包含在頻譜的中心（載波）瓣中。因此，當(dāng)我們討論調(diào)制旁瓣中的功率與發(fā)射器中可用的CW功率相比時，公式1中的功率比可以再降低6dB（CW功率與ASK調(diào)制載波譜瓣中的功率之比）。

例如，輻射315mW未調(diào)制載波功率的10MHz發(fā)射器在ASK調(diào)制時僅輻射5mW功率。在5mW中，2.5mW在載波瓣中，另外2.5mW在旁瓣之間分配。因此，對于8kbps的數(shù)據(jù)速率（參見公式1），第101旁瓣（載波404kHz）的功率為：

P（旁瓣） = +4dBm-20log10（2/101p） = +4dBm-44dB = -40dBm

請注意，旁瓣功率不僅比ASK調(diào)制信號的載波瓣中的功率低44dB，而且還比未調(diào)制的CW載波中的功率低50dB。

FCC 對 ASK 變送器的要求

FCC 場強(qiáng)

對于ISM頻段，F(xiàn)CC第15.231節(jié)定義了最大場強(qiáng)，該外推基于從定義的頻段端點(diǎn)3.750mV/m（260MHz）到12.5mV/m（470MHz）的線性外推。要計算 260MHz 和 470MHz 之間的頻率的最大值，請使用以下公式：

E = 8.75/210×f–7.083

其中 E 是以 mV/m 為單位的場強(qiáng)，f 是以 MHz 為單位的工作頻率。對于高于 470MHz 和低于 900MHz 的任何頻率，F(xiàn)CC 將場強(qiáng)限制在 12.5mV/m。在902MHz至928MHz頻段，場強(qiáng)限值為500mV/m。

對于 E（mV/m） 到 E（dBuV/m） 的單位轉(zhuǎn)換，請使用以下公式：

E = 20×log10（1000×E）

發(fā)射帶寬

FCC 第 15.231（c） 節(jié)[1]規(guī)定有意傳輸?shù)陌l(fā)射帶寬（或占用帶寬（OBW））應(yīng)不寬于中心頻率的0.25%，其中發(fā)射帶寬由輻射頻譜中低于調(diào)制載波20dB的點(diǎn)決定。對于315MHz和433.92MHz，260MHz至470MHz免許可頻段中最常用的兩個頻率，最大允許帶寬為787.5kHz（±394kHz）和1.085MHz（±542kHz）。對于 915MHz，最大允許帶寬為 2.2875MHz。

根據(jù)上面所示的ASK頻譜中的功率公式，通過確定功率至少比載波波瓣中的功率小20dB的旁瓣，很容易預(yù)測ASK調(diào)制信號的20dB帶寬。根據(jù)公式1，7千旁瓣功率比載波波瓣功率小20.8dB。因此，20dB帶寬應(yīng)該是數(shù)據(jù)速率的一半±7倍。對于10kbps的數(shù)據(jù)速率，20dB發(fā)射帶寬應(yīng)僅為70kHz。在距載波500kHz時，大約是0.25%帶寬限制的一側(cè)，10kbps頻譜應(yīng)比載波波瓣小44dB。

實際上，測得的20dB帶寬更大，500kHz外的頻譜高度高于這些計算值，原因有三：

FCC 要求測量設(shè)備中的分辨率帶寬比調(diào)制旁瓣寬;

來自合成振蕩器的相位噪聲增加了旁瓣的功率;

ASK調(diào)制稍微拉動VCO，產(chǎn)生瞬態(tài)頻率分量，這些分量顯示在測量中。

FCC的測量帶寬（即測量儀器上的帶寬設(shè)置）不容易確定，并且有例外。FCC 第 15.231（b）（2） 節(jié)[1]參考 FCC 第 15.205 節(jié)，其中指 FCC 第 15.35 節(jié)，最后指 CISPR-16。CISPR-16表示，如果使用準(zhǔn)峰值檢測器，則低于1GHz的發(fā)射的測量帶寬為120kHz，如果使用具有峰值檢測器的頻譜分析儀，則為100kHz。對于幾kbps的數(shù)據(jù)速率，這似乎是確定發(fā)射帶寬的大測量帶寬。

幸運(yùn)的是，有一個更窄、更現(xiàn)實的FCC測量帶寬規(guī)范。它沒有出現(xiàn)在任何文件中，但被合規(guī)性測試公司所知，可以通過在工程技術(shù)辦公室下的 FCC 網(wǎng)站上查詢來確認(rèn)。這個鮮為人知的規(guī)范規(guī)定，測量帶寬必須至少為允許的1dB發(fā)射帶寬的20%。因此，對于315MHz信號，1.787kHz帶寬的5%大約為8kHz，這可以通過將頻譜分析儀帶寬設(shè)置為10kHz來滿足。對于433.92MHz信號，1.1MHz帶寬的085%略高于10kHz。這意味著頻譜分析儀帶寬必須設(shè)置為30kHz，這是高于10kHz的下一個設(shè)置。對于任一信號（315MHz或433.92MHz），測量帶寬均低于100kHz。

PLL發(fā)射器中的相位噪聲頻譜密度可能因制造商而異。Maxim 系列射頻 CMOS 發(fā)送器的相位噪聲密度在 -85dBc/Hz 和 -90dBc/Hz 之間，當(dāng)從載波測量 500kHz 時。這意味著在最大FCC帶寬100kHz中測得的相位噪聲將比載波35kHz的載波功率至少小500dB。相位噪聲的存在將提高低數(shù)據(jù)速率的測量調(diào)制頻譜，當(dāng)從載波測量35kHz時，其理論旁瓣功率水平比載波瓣功率低500dB以上。

如果使用寬測量帶寬（例如5kHz），來自ASK調(diào)制的VCO瞬態(tài)拉動會使測量的頻譜高度增加100dB。雖然這些瞬變僅存在幾微秒，但它們可以通過具有“最大保持”功能的寬分辨率濾波器來檢測。將濾波器分辨率帶寬降低到30kHz或更低，可以顯著消除這種現(xiàn)象對測量頻譜的任何影響。

FCC要求的峰值檢測器或“最大保持”設(shè)置可以將這三種貢獻(xiàn)的測量功率提高多達(dá)10dB。因此，發(fā)射帶寬測量可能顯示頻譜僅比載波20kHz的載波功率低25dB至500dB，即使理論調(diào)制頻譜實際上低35dB至55dB。理論頻譜和測量頻譜之間的巨大差異可能會在高數(shù)據(jù)速率下通過FCC測試時產(chǎn)生問題，因為FCC要求所有貢獻(xiàn)的頻譜僅比載波瓣功率低20dB，距離載波約500kHz。表1顯示了不同數(shù)據(jù)速率下，ASK調(diào)制邊帶距離載波500kHz的理論頻譜高度。它還顯示了在 100kHz、30kHz 和 10kHz 帶寬下測量的功率。

圖4和圖5給出了MAX41462 ASK發(fā)送器IC的實測頻譜，該器件使用10kHz和100kHz帶寬以30kbps數(shù)據(jù)速率調(diào)制。這些計算電平與測量電平之間的差異來自相位噪聲貢獻(xiàn)、VCO上的瞬態(tài)拉動和“峰值保持”測量技術(shù)。請注意，使用 30kHz 分辨率帶寬會增加滿足發(fā)射帶寬要求的裕量。在圖4中，輻射頻譜中低于調(diào)制載波20dB的點(diǎn)位于距離中心頻率365kHz的位置。但是，在圖5中，使用30kHz分辨率帶寬時，該數(shù)字降至230kHz。

圖4.MAX41462頻譜由5kHz方波調(diào)制，測量FCC發(fā)射帶寬，分辨率帶寬為100kHz。

圖5.MAX41462頻譜由5kHz方波調(diào)制，測量FCC發(fā)射帶寬，分辨率帶寬為30kHz。

雜散輻射

FCC 第 15.231（b）（3） 節(jié)[1]聲明雜散發(fā)射的場強(qiáng)必須保持在該部分表格中顯示的定義水平。該表設(shè)置了載波頻率下的有意傳輸和發(fā)射帶寬外的雜散傳輸?shù)南拗啤＿@些雜散場強(qiáng)電平比允許的最大有意傳輸電平低20dB。這意味著，如果發(fā)射器輻射的最大允許電平，則發(fā)射帶寬之外的任何輻射都必須比載波功率電平低20dB以上。這與輻射最大功率時的20dB發(fā)射帶寬要求相吻合。雜散輻射使用符合CISPR-16的準(zhǔn)峰值檢測器或使用峰值探測器的頻譜分析儀進(jìn)行測量。這個過程與發(fā)射帶寬的測量非常相似，只是頻譜分析儀的帶寬為100kHz。

應(yīng)該注意的是，如果發(fā)射器沒有以最大允許功率輻射，則最大雜散發(fā)射水平仍保持在表中定義的絕對場強(qiáng)值。在這種情況下，雜散輻射可能不需要比發(fā)射帶寬之外的有意輻射功率低20dB。

ASK變送器的ETSI要求

在歐洲，10.10MHz至433.05MHz頻段允許高達(dá)434mW（+79dBm）的傳輸信號，25MHz至14MHz頻段通常允許863mW（+870dBm）的傳輸信號。

帶外輻射

定義了兩個帶外（OOB）域：一個用于工作信道（見圖6），另一個用于工作頻段（見圖7）。這兩個 OOB 域的頻譜掩碼可能會重疊。

ETSI對帶外發(fā)射的定義如下：

“帶外域中不需要的發(fā)射是那些落在頻率范圍內(nèi)的頻率范圍內(nèi)的輻射，緊鄰工作通道的較低頻率和上限頻率。OOB 域包括工作頻帶內(nèi)工作信道外的頻率和工作頻帶外的頻率。

圖6顯示了工作通道的帶外域。

圖6.帶外域，用于操作帶參考帶寬的信道。

相關(guān)的帶外域如圖6所示，適用于工作頻段。特定限值適用于緊鄰工作頻帶上方和下方的頻率，如圖7所示。

圖7.帶參考帶寬的工作頻段的帶外域。

ETSI EN 3 1-300 V220.1.3 中的第 1.1 節(jié)定義了工作通道 （OC） 和操作通道寬度 （OCW），如下所示：

工作信道（OC）：從設(shè)備傳輸?shù)念l率范圍，由兩個頻率邊沿值（F低和 F高） 由制造商聲明。

工作信道寬度 （OCW）：兩個頻率之間的帶寬 （F低和 F高） 聲明為操作通道。

在本應(yīng)用中，我們使用OCW = 200kHz和300kHz的典型值作為示例。 等式1至等式3可用于形成表2，與表1類似，不同之處在于與載波的距離為500kHz（OCW = 200kHz）和750kHz（OCW = 300kHz）。

工作信道帶外域中的發(fā)射水平必須小于或等于頻譜模板，如表3所示。

頻譜分析儀必須根據(jù)表4所示的參數(shù)進(jìn)行適當(dāng)?shù)呐渲谩?/p>

例如，433.92MHz發(fā)射器以10kbps的數(shù)據(jù)速率調(diào)制。每個邊帶以5kHz的奇數(shù)倍為中心。我們使用200kHz作為工作通道寬度。這意味著 101圣5kHz諧波邊帶是第一個距離載波超過500kHz（2.5×OCW）的完整邊帶，并且該邊帶的總功率必須低于-36dBm（ETSI限值）。

根據(jù)表2，與載波瓣功率相比，第101邊帶的功率為-44dBc。假設(shè)發(fā)射器輻射全+10dBm的未調(diào)制載波，50%占空比ASK數(shù)據(jù)流調(diào)制載波瓣功率下降6dB，載波瓣功率為+4dBm。這意味著第101個邊帶功率為-40dBm（邊帶為-44dBc），遠(yuǎn)低于-36dBm的限制。盡管如此，在實踐中，在遠(yuǎn)離載波瓣500kHz處測得的旁瓣功率始終高于計算值。與FCC法規(guī)一樣，發(fā)射器相位噪聲水平和VCO上的瞬態(tài)拉力相結(jié)合，使測量的功率電平高于理論值。

圖8所示為MAX41462 ASK發(fā)送器頻譜，載波為433.92MHz，調(diào)制速率為10kbps。最大未調(diào)制載波功率為 +10dBm （OCW = 200kHz）。

圖8.MAX41462頻譜由5kHz方波調(diào)制，測量工作通道的ETSI帶外輻射。

用于圖8測量的頻譜分析儀設(shè)置如下：

中心頻率：433.92MHz

跨度：1.2兆赫

RBW： 1kHz

跟蹤模式：平均

頻譜分析儀型號：安捷倫 EXA N9010A?

圖9顯示了根據(jù)圖7所示要求（OFB = 400kHz）進(jìn)行的工作頻段測量。

圖9.MAX41462頻譜由5kHz方波調(diào)制，測量工作頻段的ETSI帶外輻射。

雜散輻射

ETSI EN 5 9-1 V300.220.1 中的第 3.1.1 節(jié)將雜散發(fā)射定義為在工作通道及其帶外域以外的頻率下雜散域中不需要的發(fā)射。相關(guān)的雜散域如圖10所示。

圖 10.用于雜散域中不需要的發(fā)射的頻譜模板，帶參考帶寬。

該測量旨在尋找無意的混頻器產(chǎn)物或時鐘諧波，而不是調(diào)制載波產(chǎn)生的頻譜功率。在可能的情況下，這種測量是使用未調(diào)制的載波進(jìn)行的，因此調(diào)制邊帶不是問題。此測量需要考慮測量帶寬中發(fā)射器相位噪聲的功率電平。

在雜散域中，對于 54MHz 至 47MHz、74MHz 至 87MHz、118MHz 至 174MHz 和 230MHz 至 470MHz 的頻率范圍，不需要的發(fā)射的發(fā)射功率不得超過 –790dBm。對于低于1GHz的其他頻率，發(fā)射功率不得超過–36dBm。對于高于 1GHz 的頻率，發(fā)射功率必須小于 –30dBm。

功率測量與ETSI EN 5 8-300 V220.1.3第1.1節(jié)中的調(diào)制邊帶不同。對于不同的頻率范圍，執(zhí)行不同的分辨率帶寬，如表5所示。

對于傳導(dǎo)測量，MAX41462連接到頻譜分析儀，用作外部接收器。例如，如果應(yīng)用433.92MHz作為發(fā)射載波頻率，應(yīng)用200KHz作為工作信道寬度，則用于測量雜散發(fā)射的頻譜分析儀頻率和RBW設(shè)置如表6所示。

圖11、圖12和圖13顯示了MAX41462在+10dBm非調(diào)制功率下的測量結(jié)果。

圖 11.不需要的雜散輻射 10MHz 至 433.92MHz – 2.5×OCW （OCW = 200kHz）。

圖 12.不需要的雜散輻射 433.92MHz + 2.5 × OCW 至 1GHz （OCW = 200kHz）。

圖 13.1GHz至6GHz的無用雜散輻射。

如圖431所示，在92.433MHz至12.11MHz范圍內(nèi)，測得的功率是指10kHz帶寬內(nèi)的平均功率。這意味著類噪聲信號（例如相位噪聲）的輻射功率密度不能高于載波76kHz（36×OCW）的-10dBm/Hz（-800dBm除以4kHz帶寬中的噪聲）。如果發(fā)射器CW功率為+10dBm，則發(fā)射器的相位噪聲密度必須低于-86dBc/Hz（-76dBm/Hz除以未調(diào)制載波的+10dBm）。同樣，在30MHz至431.92MHz的范圍內(nèi)，應(yīng)用100KHz帶寬。這意味著發(fā)射器在距離載波2MHz（10 × OCW）處的相位噪聲密度需要低于-96dBc/Hz。通過實際測量，我們得到MAX41462在2MHz時的相位噪聲約為-96.5dBc/Hz。

對于MAX1472和MAX7044等其他Maxim發(fā)送器，在距離載波91MHz（2 × OCW）時，相位噪聲頻譜密度約為-10dBc/Hz，因此，如果這些器件輻射+5dBm CW全功率，則比ETSI要求高出10dB。這些器件可以在降低功率（+5dBm）下工作，而不會違反ETSI要求。

用戶應(yīng)注意，上述數(shù)據(jù)是使用實驗室設(shè)備（即是德科技功率計、頻譜分析儀、信號源分析儀）測量的。然而，在實際應(yīng)用中，當(dāng)發(fā)射輸出連接到薄型或PCB天線時，輻射信號會顯著降低。薄型和PCB天線通常具有更大的損耗，因此，輻射信號滿足36dBm的功率要求。

MAX1479的相位噪聲頻譜密度在距載波98kHz時約為-800dBc/Hz，因此可以在ETSI允許的+10dBm全功率電平下工作。54MHz至470MHz范圍內(nèi)的-862dBm要求轉(zhuǎn)換為-114dBc/Hz的相位噪聲密度。所有Maxim發(fā)送器均符合此功率水平，因為需要此功率的區(qū)域的較低頻率沿（470MHz）與載波的頻率相距太遠(yuǎn)，因此輻射的唯一噪聲來自發(fā)射器的本底熱噪聲。

審核編輯：郭婷