安裝空間受限的北斗接收機電磁干擾分析和解決方法

薛 雯，盧飛平

（上海電控研究所 上海 200092）

1 引言

北斗接收機的工作波段屬于微波波段，傳播模式為空間波，衛星到達地面的標準功率只有-133dBm，容易受到各類來自環境和設備內部的電磁干擾。隨著電子導航設備小型化，接收機上的射頻電磁敏感區與各類數字時鐘數字電路這些容易產生電磁干擾的噪聲源靠得越來越近，電磁兼容設計顯得尤為重要，一個失誤可能就會導致整個接收機無法正常工作。

2 問題的提出

一款新研安裝空間受限的北斗接收機，其原理框圖如圖1所示，屬于典型的模數混合電路，采用了傳統的模擬地數字地分割的方法，通過0Ω電阻進行了單點接地。接收機與天線用長射頻線纜對天測試時，定位正常。接收機安裝在天線所在的腔體時，接收機與天線之間的空間距離非常近，接收機無法定位，懷疑出現電磁兼容問題。頻譜分析儀接上天線測試接收機帶內輻射，發現底噪被抬高。進一步測試發現接收機地、電源等處都串擾進了62MHz時鐘的諧波，其21次諧波正好落在接收機工作頻段內，這些諧波輻射到空間，被距離很近的天線接收，捕獲靈敏度嚴重下降，接收機無法定位。

圖1 北斗接收機原理框圖

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）單個網絡的信號完整性；（2）兩個或多個網絡間的串擾；（3）電源和地分配中的軌道塌陷；（4）來自整個系統的電磁干擾和輻射[1]。

時鐘信號單個網絡的信號完整性問題以及和其他網絡之間的串擾問題都可能將時鐘變成噪聲源。

3.2 時鐘指標分析

時鐘指標一般包括相位噪聲、諧波抑制、雜散抑制等[2]。

時鐘頻率源鎖相環內部的環路濾波后的輸出信號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對其信號調制，形成雜散[3]。

時鐘輸出抖動也是影響時鐘雜散的關鍵因素。相位噪聲是信號在頻域的度量。在時域，與之對應的是時鐘抖動，為了不影響時鐘頻率源，參考時鐘盡量無噪聲，僅具有可能最低的時鐘抖動。

環路帶寬內的相位噪聲，可用公式（1）表示。

F(all)=F(1)+10logf(ref)+20logN （1）

其中F(all)是總的帶內噪聲基底，F(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，總的來說，鑒相頻率越高，帶內相位噪聲越好，前提是參考時鐘的相位噪聲不會影響到噪聲基底，也就是說提高時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，也可以選擇時鐘輸出抖動較小的晶振和提高鑒相頻率減少時鐘雜散。

3.3 時鐘信號完整性分析

為了解決EMI問題，除了需要控制時鐘雜散，還需考慮時鐘信號完整性，62M輸出引腳引出的線條與其他兩個芯片相連，連接這3個引腳的每條走線就可以看成屬于同一個網絡。網絡不僅包含信號路徑，還包含信號電路的返回路徑[1]。在高頻數字系統中，高頻信號以參考面作返回路徑，即回流路徑，如果參考面不連續，信號跨分割，就會帶來諸多的問題，如EMI和串擾等問題。根據法拉第定律，該回路會產生變化磁場，變化磁場就會產生電場，所以高頻信號EMI是與回路面積密切相關的，如果想減少EMI，就必須把回路面積減小。本項目問題設計中，采用了傳統的模擬地數字地分割的方法，通過0Ω電阻進行了單點接地，導致62MHz時鐘信號跨區，信號環路增大，增加了接收機EMI。

4 EMI實測情況分析

當出現EMI問題時，首先對射頻電路進行了排查，斷開AD芯片和基帶芯片，測試了射頻電路在北斗接收機頻段內的帶內噪聲情況（測試頻點為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。其次對AD芯片和基帶芯片進行了測試，發現只要板子的AD芯片和基帶芯片工作，板子的底噪就被抬高，帶內干擾諧波非常嚴重。進一步測試發現，只要62MHz時鐘被接入到AD芯片和基帶芯片中，就會出現大量的干擾諧波（如圖2所示），并且62MHz時鐘由于跨地傳輸的原因，通過接地串擾到整個板子，故將問題鎖定在62MHz時鐘上。

北斗接收機上62MHz時鐘信號頻譜和相位噪聲測試結果如圖3-4所示。從圖3可以看出，62MHz時鐘鎖相環有2MHz的鑒相頻率泄露非常嚴重，相對功率非常大。在接收機設計中，這些雜散信號與其他干擾信號相混頻有可能產生有用信號頻率，從而降低接收機的靈敏度。

圖2 北斗B3頻點帶內干擾諧波

圖3 北斗接收機62M時鐘頻譜

圖4 62M時鐘的相位噪聲

5 解決EMI問題的措施

5.1 時鐘電路優化

62MHz時鐘是時鐘頻率源鎖相環生成。為了解決62MHz時鐘的雜散問題，采取了以下兩個措施優化時鐘電路。

5.1.1 降低相位噪聲

10MHz參考時鐘為時鐘頻率源鎖相環參考輸入頻率，該參考時鐘由外部晶振提供，優選了相位噪聲較好，即輸出時鐘抖動較小的溫補壓控晶振。并將時鐘頻率源的鑒相頻率從2MHz調整到10MHz。

EMI輻射、電源噪聲、同步切換噪聲等對時鐘相位噪聲的影響是有邊界的，可以通過電路設計優化把噪聲源消除或大幅降低。所以本文除了優化參考時鐘的指標外，還采取了電路優化措施，將時鐘的供電電路和其他模擬供電進行分開供電，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，時鐘鎖相環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。大電容的等效串聯電阻往往較大，而且對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

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

通過以上優化設計及增加二階低通濾波器后，改善后的62M時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時鐘鑒相泄露明顯被抑制

圖6 改善后的62M相位噪聲

5.2 時鐘信號完整性優化

由于時鐘信號進行了跨區域走線，導致接地平面上被串擾進了62M時鐘，這樣整個板子都可以測到幅度不等的時鐘信號。同時兩層之間的接地噪聲直接添加到時鐘信號，并產生過度抖動。抖動可造成信噪比降低，還會產生干擾諧波。

為了優化時鐘串擾問題，本文對PCB板進行了信號完整性分析，摒棄了傳統單點接地的思想，改用統一地，避免由于地平面分割造成的參考平面割裂，如果時鐘導線下方的接地層上有割裂，接地層返回電流必須環繞裂縫流動。這會導致電路電感增加，而且電路也更容易受到外部場的影響。模擬電路和數字電路劃區布局，但使用“統一地”，形成完整的接地平面，僅在射頻部分人工割開一部分銅皮，保護敏感的射頻部分不受其他數字電路產生的噪聲干擾。當然，沒有任何一種接地方法能始終保證最佳性能。本文根據所考慮的特定混合信號器件特性提出了接地思路，僅供參考。

6 結語

由于手持設備等小型化需求，天線往往和接收機無法進行空間隔離，如何讓接收機輻射的噪聲不要影響到帶內的信號，確保接收機能正常捕獲從衛星上發出的極其微弱的導航信號，這就需要我們花大量的精力去解決電磁干擾問題。本文從出現EMI問題故障的接收機著手，對噪聲源進行了定性分析，將噪聲源定位于時鐘信號，并從理論上對時鐘雜散及時鐘信號完整性進行了分析，提出了優化時鐘電路的方案，并提出了基于信號完整性分析的“統一地”接地方案，有效地解決了因EMI導致的接收機靈敏度下降的問題。