擴(kuò)展調(diào)制技術(shù)改善EMC性能的原理
擴(kuò)頻調(diào)制技術(shù)能夠有效的降低EMI騷擾水平。下面用一個(gè)40MHz的時(shí)鐘信號舉例說明其原理。該時(shí)鐘信號未經(jīng)調(diào)制時(shí)，在時(shí)域上的波形為圖1a，在頻域上的波形表現(xiàn)為(基波加諧波)圖1b：
圖1a 40MHz時(shí)鐘信號的時(shí)域波形
圖1b 40MHz時(shí)鐘信號的頻域波形
該時(shí)鐘信號經(jīng)過擴(kuò)頻調(diào)制后，時(shí)域上和頻域(基波加諧波)上的波形分別變?yōu)閳D2a和圖2b：
圖2a 40MHz時(shí)鐘信號擴(kuò)頻后的時(shí)域波形
圖2b 40MHz時(shí)鐘信號擴(kuò)頻后的頻域波形
從這幾張曲線來看，時(shí)鐘信號經(jīng)過擴(kuò)頻之后，時(shí)域上的波形變?yōu)榱藢捳坏鹊姆讲ǎl率也不再是單一的數(shù)值，而是一個(gè)范圍(例中調(diào)制后的頻率范圍變?yōu)?9M-41MHz)；在頻域上，頻譜也不再是孤立的峰，而是變?yōu)榻咏菪蔚囊粋€(gè)形狀。
一個(gè)時(shí)鐘信號經(jīng)過擴(kuò)頻調(diào)制后的波形通常如圖3所示。由于擴(kuò)頻調(diào)制后的時(shí)鐘信號頻率變得不再唯一，上升和下降沿的產(chǎn)生時(shí)間也在一個(gè)短的時(shí)間范圍內(nèi)變得隨機(jī)。這個(gè)特定的時(shí)間范圍是可控的。擴(kuò)頻調(diào)制技術(shù)就是通過將集中在同一頻率帶的頻譜分散到更多的頻帶，以降低原來固定頻率時(shí)的騷擾電平。
圖3 時(shí)鐘信號擴(kuò)頻后的時(shí)域波形圖
擴(kuò)頻調(diào)制的結(jié)果就是使得信號的頻譜帶寬變寬，使被測設(shè)備的騷擾在較寬的頻譜上均分，通過這種途徑來使其通過EMC測試。接收機(jī)的分辨率帶寬一般保持不變，當(dāng)騷擾的譜線變寬后，這時(shí)一部分能量就落在了分辨率帶寬以外，從而測量值也相應(yīng)變小。采用擴(kuò)頻調(diào)制，通?？梢允贡粶y設(shè)備的騷擾水平顯著降低6~20dB之多。但是需要注意的是，它并不改變整個(gè)頻率范圍的騷擾能量。
采用擴(kuò)頻調(diào)制技術(shù)解決EMC問題的整改案例
某企業(yè)生產(chǎn)的具有TV接收功能的便攜式DVD產(chǎn)品，需要通過CE認(rèn)證，在進(jìn)行輻射騷擾場強(qiáng)測試時(shí)騷擾超標(biāo)。測試曲線(水平極化)如圖4所示：
圖4 帶TV功能的便攜式DVD輻射測試初測曲線
從圖中可以看出，該產(chǎn)品超標(biāo)嚴(yán)重。由于被測樣機(jī)是便攜式產(chǎn)品，內(nèi)部空間極小，且樣機(jī)采用塑料外殼，換上噴涂了導(dǎo)電漆的外殼后，輻射測試仍然不合格。但是從輻射測試曲線上看，超標(biāo)頻點(diǎn)多為樣機(jī)內(nèi)部時(shí)鐘頻率的諧波，企業(yè)于是決定采用擴(kuò)頻調(diào)制技術(shù)。
企業(yè)采用了某芯片廠家生產(chǎn)的型號為PCS3P7303AG的擴(kuò)頻IC，其主要性能特點(diǎn)有：它是一款多功能的抑制EMI的IC，既可以輸入來源于晶振的時(shí)鐘信號，也可以輸入一個(gè)外部參考時(shí)鐘信號；頻率輸入和輸出范圍都是10MHz~80MHz；具有頻率選擇功能；提供可選的擴(kuò)頻調(diào)制工作模式，由外接電阻進(jìn)行控制。
由于PCS3P7303AG具有以上特點(diǎn)，它特別適用于對晶振時(shí)鐘的擴(kuò)頻處理。PCS3P7303AG的引腳定義如下(表1)：
表1 PCS3P7303AG的引腳定義
企業(yè)采用了IC廠家推薦的典型的外接電路，該電路原理圖如圖5：
圖5 典型的外接電路
企業(yè)在該電路加了解碼板27MHz晶振的輸出端，以實(shí)現(xiàn)對晶振時(shí)鐘的擴(kuò)頻調(diào)制。另外，由于企業(yè)用的是MTK公司的解碼方案，該方案本身帶有擴(kuò)頻功能，可以對主芯片和SDRAM的通信時(shí)鐘121.5MHz進(jìn)行擴(kuò)頻調(diào)制，企業(yè)整改時(shí)也打開了這個(gè)功能。
改板后重測的輻射曲線為圖6(水平極化)：
圖6 采用擴(kuò)頻調(diào)制技術(shù)后的輻射測試曲線
重測的結(jié)果雖然仍舊不合格，但是和之前的測試曲線相比，已經(jīng)發(fā)生了明顯的改善。在對例如162MHz等這些晶振的諧波頻率進(jìn)行單點(diǎn)測量時(shí)，也可以明顯的看到擴(kuò)頻后頻譜發(fā)生的變化。在這個(gè)測試結(jié)果的基礎(chǔ)上，企業(yè)又加上了濾波技術(shù)，最終使樣機(jī)順利通過測試。濾波不是本文重點(diǎn)，相關(guān)的整改措施就不列出。
擴(kuò)頻調(diào)制技術(shù)的特點(diǎn)
專用的具有擴(kuò)頻調(diào)制功能的IC現(xiàn)在主要用來處理晶振這種時(shí)鐘源，而對于主芯片發(fā)出的時(shí)鐘，由于加入擴(kuò)頻時(shí)會產(chǎn)生時(shí)序問題，目前還用的不多。本文中的PCS3P7303AG型擴(kuò)頻IC，主要用在便攜式DVD、數(shù)碼相框、電子閱讀器和手機(jī)等數(shù)碼設(shè)備上。對于液晶電視機(jī)和液晶顯示器這一類產(chǎn)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擴(kuò)頻調(diào)制功能，如果實(shí)際測試中需要進(jìn)行擴(kuò)頻處理，只需在軟件中輸入口令打開這一功能即可。對時(shí)鐘進(jìn)行擴(kuò)頻調(diào)制后，有可能會影響到產(chǎn)品的一些性能指標(biāo)，但只要擴(kuò)頻IC外圍電路的參數(shù)選擇合適，還是可以將其對產(chǎn)品的影響控制在最小范圍。
擴(kuò)頻調(diào)制技術(shù)利用了測量接收機(jī)在工作方式上的“漏洞”，但是目前全球范圍內(nèi)都接受了這種方法。擴(kuò)頻調(diào)制技術(shù)在對干擾的處理效果上與濾波技術(shù)有點(diǎn)類似，但是原理上與濾波技術(shù)又有很大的差別，兩者的對比如下：
①擴(kuò)頻調(diào)制技術(shù)的效果僅僅是使被測設(shè)備容易通過EMC測試，在整個(gè)頻率范圍內(nèi)，騷擾能量并沒有發(fā)生改變。濾波技術(shù)是將不需要的能量濾掉，以此來降低干擾的幅度。
②擴(kuò)頻調(diào)制技術(shù)未改變脈沖的上升/下降沿，而濾波技術(shù)通常是延緩了脈沖的上升沿，從而降低高次諧波分量。
③濾波技術(shù)通常使用的是低通濾波，也就是僅濾掉較高次的諧波，而擴(kuò)頻調(diào)制技術(shù)對低頻甚至對基波都有降低騷擾幅度的作用。
小結(jié)
本文討論了擴(kuò)頻調(diào)制技術(shù)在EMC整改中的應(yīng)用。作為一個(gè)新的技術(shù)，擴(kuò)頻調(diào)制目前已經(jīng)在EMC中有了很多的應(yīng)用場合，除了文中介紹的處理晶振時(shí)鐘的擴(kuò)頻IC，現(xiàn)在已經(jīng)有針對開關(guān)電源開關(guān)頻率進(jìn)行擴(kuò)頻處理的擴(kuò)頻IC，和針對某一具體產(chǎn)品而開發(fā)的擴(kuò)頻調(diào)制模塊，例如針對D類功放內(nèi)部工作頻率的擴(kuò)頻調(diào)制器等等。可以說，在時(shí)鐘頻率越來越高的今天，擴(kuò)頻調(diào)制技術(shù)的應(yīng)用，給解決EMC問題提供了一條嶄新的思路。
作者：郭遠(yuǎn)東，全國電磁兼容標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會A分會（SAC/TC246/SC2）委員；全國無線電干擾標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會30MHz以下輻射發(fā)射工作組成員；廣東省質(zhì)監(jiān)協(xié)會專家組成員；美國密蘇里大學(xué)(University of Missouri)在讀博士
