薛 雯，盧飛平

（上海電控研究所 上海 200092）

1 引言

北斗接收機(jī)的工作波段屬于微波波段，傳播模式為空間波，衛(wèi)星到達(dá)地面的標(biāo)準(zhǔn)功率只有-133dBm，容易受到各類來(lái)自環(huán)境和設(shè)備內(nèi)部的電磁干擾。隨著電子導(dǎo)航設(shè)備小型化，接收機(jī)上的射頻電磁敏感區(qū)與各類數(shù)字時(shí)鐘數(shù)字電路這些容易產(chǎn)生電磁干擾的噪聲源靠得越來(lái)越近，電磁兼容設(shè)計(jì)顯得尤為重要，一個(gè)失誤可能就會(huì)導(dǎo)致整個(gè)接收機(jī)無(wú)法正常工作。

2 問(wèn)題的提出

一款新研安裝空間受限的北斗接收機(jī)，其原理框圖如圖1所示，屬于典型的模數(shù)混合電路，采用了傳統(tǒng)的模擬地?cái)?shù)字地分割的方法，通過(guò)0Ω電阻進(jìn)行了單點(diǎn)接地。接收機(jī)與天線用長(zhǎng)射頻線纜對(duì)天測(cè)試時(shí)，定位正常。接收機(jī)安裝在天線所在的腔體時(shí)，接收機(jī)與天線之間的空間距離非常近，接收機(jī)無(wú)法定位，懷疑出現(xiàn)電磁兼容問(wèn)題。頻譜分析儀接上天線測(cè)試接收機(jī)帶內(nèi)輻射，發(fā)現(xiàn)底噪被抬高。進(jìn)一步測(cè)試發(fā)現(xiàn)接收機(jī)地、電源等處都串?dāng)_進(jìn)了62MHz時(shí)鐘的諧波，其21次諧波正好落在接收機(jī)工作頻段內(nèi)，這些諧波輻射到空間，被距離很近的天線接收，捕獲靈敏度嚴(yán)重下降，接收機(jī)無(wú)法定位。

圖1 北斗接收機(jī)原理框圖

3 電磁干擾理論分析

3.1 噪聲源分析

特定噪聲源有4類：（1）單個(gè)網(wǎng)絡(luò)的信號(hào)完整性；（2）兩個(gè)或多個(gè)網(wǎng)絡(luò)間的串?dāng)_；（3）電源和地分配中的軌道塌陷；（4）來(lái)自整個(gè)系統(tǒng)的電磁干擾和輻射[1]。

時(shí)鐘信號(hào)單個(gè)網(wǎng)絡(luò)的信號(hào)完整性問(wèn)題以及和其他網(wǎng)絡(luò)之間的串?dāng)_問(wèn)題都可能將時(shí)鐘變成噪聲源。

3.2 時(shí)鐘指標(biāo)分析

時(shí)鐘指標(biāo)一般包括相位噪聲、諧波抑制、雜散抑制等[2]。

時(shí)鐘頻率源鎖相環(huán)內(nèi)部的環(huán)路濾波后的輸出信號(hào)總是或多或少的包含有鑒相頻率泄漏分量，此泄漏分量加到壓控振蕩器上就會(huì)對(duì)其信號(hào)調(diào)制，形成雜散[3]。

時(shí)鐘輸出抖動(dòng)也是影響時(shí)鐘雜散的關(guān)鍵因素。相位噪聲是信號(hào)在頻域的度量。在時(shí)域，與之對(duì)應(yīng)的是時(shí)鐘抖動(dòng)，為了不影響時(shí)鐘頻率源，參考時(shí)鐘盡量無(wú)噪聲，僅具有可能最低的時(shí)鐘抖動(dòng)。

環(huán)路帶寬內(nèi)的相位噪聲，可用公式（1）表示。

F(all)=F(1)+10logf(ref)+20logN （1）

其中F(all)是總的帶內(nèi)噪聲基底，F(xiàn)(1)是芯片鑒相器的歸一化噪聲，f(ref)是鑒相頻率，所以F(1)+10logf(ref)就是鑒相器工作在鑒相頻率下的噪聲，N是分頻比，鑒相頻率越高分頻比越小，所以，總的來(lái)說(shuō)，鑒相頻率越高，帶內(nèi)相位噪聲越好，前提是參考時(shí)鐘的相位噪聲不會(huì)影響到噪聲基底，也就是說(shuō)提高時(shí)鐘頻率源的鑒相頻率有利于降低相位噪聲。

綜上所述，可以從噪聲源頭上去抑制大部分雜散，也可以選擇時(shí)鐘輸出抖動(dòng)較小的晶振和提高鑒相頻率減少時(shí)鐘雜散。

3.3 時(shí)鐘信號(hào)完整性分析

為了解決EMI問(wèn)題，除了需要控制時(shí)鐘雜散，還需考慮時(shí)鐘信號(hào)完整性，62M輸出引腳引出的線條與其他兩個(gè)芯片相連，連接這3個(gè)引腳的每條走線就可以看成屬于同一個(gè)網(wǎng)絡(luò)。網(wǎng)絡(luò)不僅包含信號(hào)路徑，還包含信號(hào)電路的返回路徑[1]。在高頻數(shù)字系統(tǒng)中，高頻信號(hào)以參考面作返回路徑，即回流路徑，如果參考面不連續(xù)，信號(hào)跨分割，就會(huì)帶來(lái)諸多的問(wèn)題，如EMI和串?dāng)_等問(wèn)題。根據(jù)法拉第定律，該回路會(huì)產(chǎn)生變化磁場(chǎng)，變化磁場(chǎng)就會(huì)產(chǎn)生電場(chǎng)，所以高頻信號(hào)EMI是與回路面積密切相關(guān)的，如果想減少EMI，就必須把回路面積減小。本項(xiàng)目問(wèn)題設(shè)計(jì)中，采用了傳統(tǒng)的模擬地?cái)?shù)字地分割的方法，通過(guò)0Ω電阻進(jìn)行了單點(diǎn)接地，導(dǎo)致62MHz時(shí)鐘信號(hào)跨區(qū)，信號(hào)環(huán)路增大，增加了接收機(jī)EMI。

4 EMI實(shí)測(cè)情況分析

當(dāng)出現(xiàn)EMI問(wèn)題時(shí)，首先對(duì)射頻電路進(jìn)行了排查，斷開AD芯片和基帶芯片，測(cè)試了射頻電路在北斗接收機(jī)頻段內(nèi)的帶內(nèi)噪聲情況（測(cè)試頻點(diǎn)為B3，中心頻率為1268.52MHz，帶寬為±10MHz），未掃描到任何噪聲抬起的狀態(tài)。其次對(duì)AD芯片和基帶芯片進(jìn)行了測(cè)試，發(fā)現(xiàn)只要板子的AD芯片和基帶芯片工作，板子的底噪就被抬高，帶內(nèi)干擾諧波非常嚴(yán)重。進(jìn)一步測(cè)試發(fā)現(xiàn)，只要62MHz時(shí)鐘被接入到AD芯片和基帶芯片中，就會(huì)出現(xiàn)大量的干擾諧波（如圖2所示），并且62MHz時(shí)鐘由于跨地傳輸?shù)脑?，通過(guò)接地串?dāng)_到整個(gè)板子，故將問(wèn)題鎖定在62MHz時(shí)鐘上。

北斗接收機(jī)上62MHz時(shí)鐘信號(hào)頻譜和相位噪聲測(cè)試結(jié)果如圖3-4所示。從圖3可以看出，62MHz時(shí)鐘鎖相環(huán)有2MHz的鑒相頻率泄露非常嚴(yán)重，相對(duì)功率非常大。在接收機(jī)設(shè)計(jì)中，這些雜散信號(hào)與其他干擾信號(hào)相混頻有可能產(chǎn)生有用信號(hào)頻率，從而降低接收機(jī)的靈敏度。

圖2 北斗B3頻點(diǎn)帶內(nèi)干擾諧波

圖3 北斗接收機(jī)62M時(shí)鐘頻譜

圖4 62M時(shí)鐘的相位噪聲

5 解決EMI問(wèn)題的措施

5.1 時(shí)鐘電路優(yōu)化

62MHz時(shí)鐘是時(shí)鐘頻率源鎖相環(huán)生成。為了解決62MHz時(shí)鐘的雜散問(wèn)題，采取了以下兩個(gè)措施優(yōu)化時(shí)鐘電路。

5.1.1 降低相位噪聲

10MHz參考時(shí)鐘為時(shí)鐘頻率源鎖相環(huán)參考輸入頻率，該參考時(shí)鐘由外部晶振提供，優(yōu)選了相位噪聲較好，即輸出時(shí)鐘抖動(dòng)較小的溫補(bǔ)壓控晶振。并將時(shí)鐘頻率源的鑒相頻率從2MHz調(diào)整到10MHz。

EMI輻射、電源噪聲、同步切換噪聲等對(duì)時(shí)鐘相位噪聲的影響是有邊界的，可以通過(guò)電路設(shè)計(jì)優(yōu)化把噪聲源消除或大幅降低。所以本文除了優(yōu)化參考時(shí)鐘的指標(biāo)外，還采取了電路優(yōu)化措施，將時(shí)鐘的供電電路和其他模擬供電進(jìn)行分開供電，并在電源管腳處依次放置0.1uF，0.01uF，100pF的電容，電源輸入處增加了磁珠濾波，時(shí)鐘鎖相環(huán)的供電口同樣增加了退耦電容，最大限度濾除電源線上的干擾。大電容的等效串聯(lián)電阻往往較大，而且對(duì)高頻噪聲的濾波效果較差，高頻噪聲的抑制需要用小容值的電容。

5.1.2 抑制鑒相頻率泄露

除了優(yōu)化參考時(shí)鐘和供電電路外，還外加了鑒相頻率抑制濾波器。在不破壞鎖相環(huán)路穩(wěn)定性的前提下，二階低通有源濾波器對(duì)鑒相泄漏及其諧波分量的抑制作用最好[3]。本文在VCO壓控電壓口處設(shè)計(jì)了二階低通有源濾波器。

通過(guò)以上優(yōu)化設(shè)計(jì)及增加二階低通濾波器后，改善后的62M時(shí)鐘的鑒相泄露抑制比增加顯著，且相位噪聲也有了改善，如圖5-6所示。

圖5 改善后的62M時(shí)鐘鑒相泄露明顯被抑制

圖6 改善后的62M相位噪聲

5.2 時(shí)鐘信號(hào)完整性優(yōu)化

由于時(shí)鐘信號(hào)進(jìn)行了跨區(qū)域走線，導(dǎo)致接地平面上被串?dāng)_進(jìn)了62M時(shí)鐘，這樣整個(gè)板子都可以測(cè)到幅度不等的時(shí)鐘信號(hào)。同時(shí)兩層之間的接地噪聲直接添加到時(shí)鐘信號(hào)，并產(chǎn)生過(guò)度抖動(dòng)。抖動(dòng)可造成信噪比降低，還會(huì)產(chǎn)生干擾諧波。

為了優(yōu)化時(shí)鐘串?dāng)_問(wèn)題，本文對(duì)PCB板進(jìn)行了信號(hào)完整性分析，摒棄了傳統(tǒng)單點(diǎn)接地的思想，改用統(tǒng)一地，避免由于地平面分割造成的參考平面割裂，如果時(shí)鐘導(dǎo)線下方的接地層上有割裂，接地層返回電流必須環(huán)繞裂縫流動(dòng)。這會(huì)導(dǎo)致電路電感增加，而且電路也更容易受到外部場(chǎng)的影響。模擬電路和數(shù)字電路劃區(qū)布局，但使用“統(tǒng)一地”，形成完整的接地平面，僅在射頻部分人工割開一部分銅皮，保護(hù)敏感的射頻部分不受其他數(shù)字電路產(chǎn)生的噪聲干擾。當(dāng)然，沒(méi)有任何一種接地方法能始終保證最佳性能。本文根據(jù)所考慮的特定混合信號(hào)器件特性提出了接地思路，僅供參考。

6 結(jié)語(yǔ)

由于手持設(shè)備等小型化需求，天線往往和接收機(jī)無(wú)法進(jìn)行空間隔離，如何讓接收機(jī)輻射的噪聲不要影響到帶內(nèi)的信號(hào)，確保接收機(jī)能正常捕獲從衛(wèi)星上發(fā)出的極其微弱的導(dǎo)航信號(hào)，這就需要我們花大量的精力去解決電磁干擾問(wèn)題。本文從出現(xiàn)EMI問(wèn)題故障的接收機(jī)著手，對(duì)噪聲源進(jìn)行了定性分析，將噪聲源定位于時(shí)鐘信號(hào)，并從理論上對(duì)時(shí)鐘雜散及時(shí)鐘信號(hào)完整性進(jìn)行了分析，提出了優(yōu)化時(shí)鐘電路的方案，并提出了基于信號(hào)完整性分析的“統(tǒng)一地”接地方案，有效地解決了因EMI導(dǎo)致的接收機(jī)靈敏度下降的問(wèn)題。