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针对UART通讯端口上射频搅扰的研讨

位于840MHz左右的RF干扰影响配置成UART的串行通信端口,该接口位于包含一个AD6903(LeMansLCR+)数字式基带处理器的调制解调器和一台主处理机之间。

坐落840MHz左右的RF搅扰影响装备成UART的串行通讯端口,该接口坐落包含一个AD6903(LeMansLCR+)数字式基带处理器的调制解调器和一台主处理机之间。

  呈现的问题是衔接到AD6903GPIO_1引脚的UARTRX信号中呈现噪声,每逢射频(RF)搅扰源呈现时,信号均匀电压就会远离其期望值。均匀电压的偏移起伏取决于RF源的功率和频率。

  图1显现当射频功率放大器接通时,进入AD6903的GPIO_1引脚上的UARTRX信号受到影响的状况。在图1中,进入AD6903的UARTRX用粉红色表明,来自主处理机的UARTTX信号用紫色表明,功率放大器使能用黄色表明,而AD6903VEXT电源用绿色表明。

  

  图1:UART通讯端口上的RF搅扰

  当功率放大器接通(黄色)时,从主处理器的TX引脚到AD6903的RX引脚(桃红色)的UART数据传输发生了毛病,由于RX信号上升到凹凸电平之间的中心方位,而与TX信号(紫色)不一致。在第二个脉冲期间,当功率放大器接通时,主处理器的TX引脚和AD6903的RX引脚应该都坚持高电平;可是TX引脚上有噪声,而且RX信号下降至其凹凸电平的中心方位。而且留心VEXT电源电压(绿色)上的噪声增大,而且当功率放大器接通时其值还会略为上升。

  可是,问题有必要是与功率放大器的使能信号和同一个调制解调器的功率放大器无关,由于从邻近其他的电话或信号发生器带来的RF能量也会影响进入AD6903的UARTRX信号。运用信号发生器扫描来检查对射频搅扰的易受度时发现,最坏的当地约在840MHz,而在高频或更低的频率上则较好。

  在主处理器和AD6903之间的这个信号的串联电阻器被用于使逻辑高电平从3.3V下降到2.8V。这个电阻器的额外阻值是10kΩ。能够用较小的电阻、包含0Ω电阻器来替换之,由于下降阻值能够减小噪声,可是这并不能解决问题,除非用短路线来替代。

  这个问题也不是AD6903才特有的。来自其他厂商的芯片也具有类似的现象。比方,SN74AVCA16425GR的引脚37上也有相同的问题。其功用框图请参阅图2。

  

  图2:SN74AVCA16425GR功用框图

  这儿的1DIR、2DIR为高电平,OE为低电平,因而操作是从A口到B口,引脚37(1A7)将接纳来自另一个芯片组的数据。这意味着它是输入型。

  在邻近存在RF搅扰的状况下,即在测验点邻近(5米以内)用手机打电话,来测验SN74AVCA16425GR的引脚37上的信号。图3显现当设备不加电时(I/O状况不知道),其输出失常;而图4则显现当设备加电(输入状况)时其输出的失常状况。

  

  图3:低电平升高

  搅扰原理

  进入AD6903的UARTRX信号的这种“RF搅扰拾取”行为的发生以一个特定的RF频率为中心,而这些信号迹线没有彻底被屏蔽。这种现象是能够解说的:主板的印刷导线拾取搅扰,由于导线上有寄生电感、寄生电阻和寄生电容,而导线的两头衔接的是高阻抗;一侧是一个10kΩ电阻器,另一侧则是CMOS输入。电路板上的导线就像一个具有1/4波长呼应的天线。

  

  图4:高电平下降

  在客户模块中,核算GPIO1导线时,模块上按30mm核算,而主板上则大约为15mm。所以这条线能够拾取RF噪声并对840MHz灵敏就不奇怪了。详细能够参阅图5。

  

  图5:RF搅扰核算公式

 依据上述理论,主张在信号通道上添加一只电容器来阻尼RF的搅扰振动。电容器的效果是改动天线的调谐频率和下降天线阻抗然后下降天线增益。随后,咱们听取了有关陈述,即经过选取恰当的电容,使噪声削减到了可接受的水平。

  该信号的DC偏移量可由任何CMOS输入-输出引脚的二极管发生。他们一般被称作为ESD(静电开释)维护二极管,可是当它被装备为输出时,它们其实是用来操控引脚的晶体管的耗尽区;那些晶体管常常做两层用处,即在装备为输入时还作为引脚上的ESD维护装置。所以他们在一切CMOS输入/输出电路结构中都是不行短少的。这些二极管加正向偏压,当信号的起伏使得二极管压降(大约0.6V)正向超越VEXT之上,或许反向低于地电平常,信号将被钳位。为了使信号的起伏跟着天线频带内的RF能量的添加而添加,信号的均匀电压将可挨近VEXT电压的一半。

  这个解说使咱们得知,信号的峰峰值从VEXT+0.6V到-0.6V。但示波器所测得的起伏却小许多。要解说为什么起伏会减小,咱们估量这是由于示波器探头以及触摸电阻所导致的衰减所造成的,或许是数字示波器的采样率不行,比方它为了收集1GHz邻近的完好信号(尤其是给定显现窗口约10ms时),实践的采样率或许比所需的2G采样/每秒的速度要慢许多。图6中对这个理论进行了描绘。

  

  图6:用于直流电压偏移观测的解说描绘

  RF搅扰信号是由印刷导线拾取并被馈送到芯片里,规范芯片输入/输出衰减器作为一个整流器,作为一切CMOS输入-输出引脚(芯片输入/输出)的一部分,二极管被正向偏压,并对正向超越二极管管压降(大约0.6V)VEXT之上,或许反向低于地电平常,信号的摆幅被钳位。一起示波器和/或探头不能丈量GHz级的频率,其体现同等一个低通滤波器。所以,在“某些”输入/输出引脚呈现失常电压(取决于衔接到输入/输出引脚的印刷导线以及EMC的规划水平)。

  也有陈述用0Ω电阻器替换10kΩ系列电阻器,这并不能完成消除搅扰或DC电平的偏移,但用短接线替换能够完成。留心那些电阻器能够得到解说,即使是0Ω电阻器,也会由于封装与一定量的电阻串联而发生寄生电感。考虑高频时,这个串联的RL重量的效果比纯电阻更像低通滤波器。因而好像在发生搅扰的RF频段内,电阻重量依然有或许有相当大的阻抗。

  解决方案

  能够经过两种途径削减/消除上述影响:

  1.消除/削减“搅扰源”,添加体系搅扰免疫(EMC维护)才能,例如将RF电路与其他数字电路阻隔,添加独立的RF和基带屏蔽区,坚持杰出接地,在手机外壳中运用EMC资料。

  2.为了去除这种“搅扰”,一般应该用一只小电容器(留心将电容器紧靠在I/O引脚)。经过在接近(AD6903.GPIO1)(UART_Rx)测验点邻近添加一个27pf电容器到地。从示波器丈量中能够发现,消除了输入/输出DC偏移。而且UART通讯端口相应的误码率正常。详细参阅图7和图8。

  

  图7:低电平正常迹线。

  

  图8:高电平正常迹线

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