FCC和ETSI对短程UHF ASK调制发射器的要求

政府对用于远程无钥匙进入 （RKE）、家庭自动化、家庭安全、胎压监测系统 （TPMS） 和其他需要短程设备 （SRD） 的应用的未经许可的发射器的有意和无意辐射功率有限制。这些限制由每个国家或地区的监管机构制定。根据其影响的市场规模，两个最具影响力的机构是美国的FCC和欧洲的ETSI。

本应用笔记介绍了适用于ISM频段（包括315MHz、433.92MHz、868.35MHz和915MHz）的幅度移控（ASK）发射器的FCC和ETSI辐射限值。讨论证明符合这些限制所需的特定测试，以及可能影响测试结果的测试参数。ASK调制的计算和测量频谱以及MAX41462 ASK发送器的频谱分析仪迹线说明了通过这些测试的必要条件。

介绍

美国的联邦通信委员会 （FCC） 和欧洲的欧洲电信标准协会 （ETSI） 都规定了用于遥控无钥匙进入 （RKE）、家庭自动化、家庭安全和其他无线电控制设备的未经许可的发射器的辐射功率水平限制。功率限制既适用于预期的传输，也适用于来自这些设备的意外或杂散传输。与这些限制相关的是用于确定设备是否在既定准则范围内辐射的测试程序。测试仪器设置与发射机辐射特性之间的关系对于测试结果（即通过或失败）非常重要。

本应用笔记显示了幅移键控（ASK）信号的调制频谱、发射机的相位噪声以及发射机VCO的瞬态频率牵引如何影响鉴定测试。

请注意，本应用笔记已针对最新的低于1GHz的ETSI监管要求进行了更新。

ASK调制频谱

了解ASK调制频谱的一种方法是从周期性方波调制RF载波开始，然后“涂抹”频谱线以解释数据流的随机性。

首先，将图2中周期1T的方波视为1010...数据速率为 1/T 的不归零 （NRZ） 数据序列。该方波的功率谱如图2所示，其中零频率取为载波频率f0。在这种情况下，f0由载波处的一条线组成，我们已经将其归一化为单位，以及奇数倍的线（1/2T）。每条线路中的功率与载波（零频率）线路中的功率之比定义为：

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

图1.周期2T的方波。

图2.周期为2T的方波的功率谱。

当ASK调制是真实数据时，数据的随机性会导致功率谱，其中每条线被拖入半正弦波周期。频谱的数学表示，归一化为载波频率下的频谱密度，为：

P（f）/P（0） = [sin（pfT）/pfT]2

每个旁瓣的频谱密度峰值与载波频率处的频谱密度之比仍由公式1给出。

图3所示为MAX41462 ASK发送器的频谱。请注意，旁瓣峰值位于5kHz的奇数倍，是数据速率的一半。

图3.MAX41462 ASK发送器频谱，具有10kHz调制。

请注意ASK调制信号的载波线（或波瓣）中的功率与未调制（CW）载波的功率之间的关系。这很重要，因为FCC和ETSI法规有时适用于相对功率，有时适用于绝对功率。如果发射器辐射P0瓦的稳定（未调制）载波，然后由50%占空比ASK数据流调制，则辐射的总功率减半，即P0/2。此外，由于调制会产生所有这些边带，因此ASK调制信号中只有一半的功率包含在频谱的中心（载波）瓣中。因此，当我们讨论调制旁瓣中的功率与发射器中可用的CW功率相比时，公式1中的功率比可以再降低6dB（CW功率与ASK调制载波谱瓣中的功率之比）。

例如，辐射315mW未调制载波功率的10MHz发射器在ASK调制时仅辐射5mW功率。在5mW中，2.5mW在载波瓣中，另外2.5mW在旁瓣之间分配。因此，对于8kbps的数据速率（参见公式1），第101旁瓣（载波404kHz）的功率为：

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

请注意，旁瓣功率不仅比ASK调制信号的载波瓣中的功率低44dB，而且还比未调制的CW载波中的功率低50dB。

FCC 对 ASK 变送器的要求

FCC 场强

对于ISM频段，FCC第15.231节定义了最大场强，该外推基于从定义的频段端点3.750mV/m（260MHz）到12.5mV/m（470MHz）的线性外推。要计算 260MHz 和 470MHz 之间的频率的最大值，请使用以下公式：

E = 8.75/210×f–7.083

其中 E 是以 mV/m 为单位的场强，f 是以 MHz 为单位的工作频率。对于高于 470MHz 和低于 900MHz 的任何频率，FCC 将场强限制在 12.5mV/m。在902MHz至928MHz频段，场强限值为500mV/m。

对于 E（mV/m） 到 E（dBuV/m） 的单位转换，请使用以下公式：

E = 20×log10（1000×E）

发射带宽

FCC 第 15.231（c） 节[1]规定有意传输的发射带宽（或占用带宽（OBW））应不宽于中心频率的0.25%，其中发射带宽由辐射频谱中低于调制载波20dB的点决定。对于315MHz和433.92MHz，260MHz至470MHz免许可频段中最常用的两个频率，最大允许带宽为787.5kHz（±394kHz）和1.085MHz（±542kHz）。对于 915MHz，最大允许带宽为 2.2875MHz。

根据上面所示的ASK频谱中的功率公式，通过确定功率至少比载波波瓣中的功率小20dB的旁瓣，很容易预测ASK调制信号的20dB带宽。根据公式1，7千旁瓣功率比载波波瓣功率小20.8dB。因此，20dB带宽应该是数据速率的一半±7倍。对于10kbps的数据速率，20dB发射带宽应仅为70kHz。在距载波500kHz时，大约是0.25%带宽限制的一侧，10kbps频谱应比载波波瓣小44dB。

实际上，测得的20dB带宽更大，500kHz外的频谱高度高于这些计算值，原因有三：

FCC 要求测量设备中的分辨率带宽比调制旁瓣宽;

来自合成振荡器的相位噪声增加了旁瓣的功率;

ASK调制稍微拉动VCO，产生瞬态频率分量，这些分量显示在测量中。

FCC的测量带宽（即测量仪器上的带宽设置）不容易确定，并且有例外。FCC 第 15.231（b）（2） 节[1]参考 FCC 第 15.205 节，其中指 FCC 第 15.35 节，最后指 CISPR-16。CISPR-16表示，如果使用准峰值检测器，则低于1GHz的发射的测量带宽为120kHz，如果使用具有峰值检测器的频谱分析仪，则为100kHz。对于几kbps的数据速率，这似乎是确定发射带宽的大测量带宽。

幸运的是，有一个更窄、更现实的FCC测量带宽规范。它没有出现在任何文件中，但被合规性测试公司所知，可以通过在工程技术办公室下的 FCC 网站上查询来确认。这个鲜为人知的规范规定，测量带宽必须至少为允许的1dB发射带宽的20%。因此，对于315MHz信号，1.787kHz带宽的5%大约为8kHz，这可以通过将频谱分析仪带宽设置为10kHz来满足。对于433.92MHz信号，1.1MHz带宽的085%略高于10kHz。这意味着频谱分析仪带宽必须设置为30kHz，这是高于10kHz的下一个设置。对于任一信号（315MHz或433.92MHz），测量带宽均低于100kHz。

PLL发射器中的相位噪声频谱密度可能因制造商而异。Maxim 系列射频 CMOS 发送器的相位噪声密度在 -85dBc/Hz 和 -90dBc/Hz 之间，当从载波测量 500kHz 时。这意味着在最大FCC带宽100kHz中测得的相位噪声将比载波35kHz的载波功率至少小500dB。相位噪声的存在将提高低数据速率的测量调制频谱，当从载波测量35kHz时，其理论旁瓣功率水平比载波瓣功率低500dB以上。

如果使用宽测量带宽（例如5kHz），来自ASK调制的VCO瞬态拉动会使测量的频谱高度增加100dB。虽然这些瞬变仅存在几微秒，但它们可以通过具有“最大保持”功能的宽分辨率滤波器来检测。将滤波器分辨率带宽降低到30kHz或更低，可以显著消除这种现象对测量频谱的任何影响。

FCC要求的峰值检测器或“最大保持”设置可以将这三种贡献的测量功率提高多达10dB。因此，发射带宽测量可能显示频谱仅比载波20kHz的载波功率低25dB至500dB，即使理论调制频谱实际上低35dB至55dB。理论频谱和测量频谱之间的巨大差异可能会在高数据速率下通过FCC测试时产生问题，因为FCC要求所有贡献的频谱仅比载波瓣功率低20dB，距离载波约500kHz。表1显示了不同数据速率下，ASK调制边带距离载波500kHz的理论频谱高度。它还显示了在 100kHz、30kHz 和 10kHz 带宽下测量的功率。

 

数据速率（千字节）	边带数在 500kHz	边带 （dBc）	100kHz带宽中的dBc	30kHz带宽中的dBc	10kHz带宽中的dBc
2	501	-58	-41	-46	-51
4	251	-52	-38	-43	-48
8	126	-46	-35	-40	-45
10	101	-44	-34	-39	-44
20	51	-38	-31	-36	-41
100	11	-25	-25	-28	-32

 

图4和图5给出了MAX41462 ASK发送器IC的实测频谱，该器件使用10kHz和100kHz带宽以30kbps数据速率调制。这些计算电平与测量电平之间的差异来自相位噪声贡献、VCO上的瞬态拉动和“峰值保持”测量技术。请注意，使用 30kHz 分辨率带宽会增加满足发射带宽要求的裕量。在图4中，辐射频谱中低于调制载波20dB的点位于距离中心频率365kHz的位置。但是，在图5中，使用30kHz分辨率带宽时，该数字降至230kHz。

图4.MAX41462频谱由5kHz方波调制，测量FCC发射带宽，分辨率带宽为100kHz。

图5.MAX41462频谱由5kHz方波调制，测量FCC发射带宽，分辨率带宽为30kHz。

杂散辐射

FCC 第 15.231（b）（3） 节[1]声明杂散发射的场强必须保持在该部分表格中显示的定义水平。该表设置了载波频率下的有意传输和发射带宽外的杂散传输的限制。这些杂散场强电平比允许的最大有意传输电平低20dB。这意味着，如果发射器辐射的最大允许电平，则发射带宽之外的任何辐射都必须比载波功率电平低20dB以上。这与辐射最大功率时的20dB发射带宽要求相吻合。杂散辐射使用符合CISPR-16的准峰值检测器或使用峰值探测器的频谱分析仪进行测量。这个过程与发射带宽的测量非常相似，只是频谱分析仪的带宽为100kHz。

应该注意的是，如果发射器没有以最大允许功率辐射，则最大杂散发射水平仍保持在表中定义的绝对场强值。在这种情况下，杂散辐射可能不需要比发射带宽之外的有意辐射功率低20dB。

ASK变送器的ETSI要求

在欧洲，10.10MHz至433.05MHz频段允许高达434mW（+79dBm）的传输信号，25MHz至14MHz频段通常允许863mW（+870dBm）的传输信号。

带外辐射

定义了两个带外（OOB）域：一个用于工作信道（见图6），另一个用于工作频段（见图7）。这两个 OOB 域的频谱掩码可能会重叠。

ETSI对带外发射的定义如下：

“带外域中不需要的发射是那些落在频率范围内的频率范围内的辐射，紧邻工作通道的较低频率和上限频率。OOB 域包括工作频带内工作信道外的频率和工作频带外的频率。

图6显示了工作通道的带外域。

图6.带外域，用于操作带参考带宽的信道。

相关的带外域如图6所示，适用于工作频段。特定限值适用于紧邻工作频带上方和下方的频率，如图7所示。

图7.带参考带宽的工作频段的带外域。

ETSI EN 3 1-300 V220.1.3 中的第 1.1 节定义了工作通道 （OC） 和操作通道宽度 （OCW），如下所示：

工作信道（OC）：从设备传输的频率范围，由两个频率边沿值（F低和 F高） 由制造商声明。

工作信道宽度 （OCW）：两个频率之间的带宽 （F低和 F高） 声明为操作通道。

在本应用中，我们使用OCW = 200kHz和300kHz的典型值作为示例。 等式1至等式3可用于形成表2，与表1类似，不同之处在于与载波的距离为500kHz（OCW = 200kHz）和750kHz（OCW = 300kHz）。

 

数据速率（千字节）	边带数在 500kHz	边带 （dBc）	边带数在 750kHz	750kHz 时的边带数 （dBc）
2	501	-58	751	-62
4	251	-52	376	-56
8	126	-46	189	-50
10	101	-44	151	-48
20	51	-38	76	-42
100	11	-25	16	-28

 

工作信道带外域中的发射水平必须小于或等于频谱模板，如表3所示。

 

域	频率范围	RBW裁判	最大功率限制
适用于工作频带的 OOB 限制 （见图6）	f = flow_OFB-400kHz	10千赫	-36分贝
	flow_OFB- 400kHz = f = flow_OFB- 200kHz	1千赫	-36分贝
	f低- 200kHz = f < flow_OFB	1千赫	参见图6
	f = flow_OFB	1千赫	0分贝
	f = fhigh_OFB	1千赫	0分贝
	fhigh_OFB< f = fhigh_OFB+ 200kHz	1千赫	参见图6
	fhigh_OFB+ 200kHz = f = fhigh_OFB+ 400kHz	1千赫	-36分贝
	fhigh_OFB+ 400kHz = f	10千赫	-36分贝
适用于操作通道的 OOB 限制 （见图5）	f = fc- 2.5 x OCW	1千赫	-36分贝
	fc- 2，5 x OCW = f = fc- 0，5 x OCW	1千赫	参见图5
	f = fc- 0，5 x OCW	1千赫	0分贝
	f = fc+ 0，5 x OCW	1千赫	0分贝
	fc+ 0，5 x OCW = f = fc+ 2，5 x OCW	1千赫	参见图5
	f = fc+ 2，5 x OCW	1千赫	-36分贝
注意： f 是 tde 测量频率。 fc是 tde 工作频率。 Flow_OFB是 tde 工作频段的 tde 下边缘。 Fhigh_OFB是 tde 工作频段的 tde 上边缘。 OCW 是 tde 运营频道 bandwidtd。

 

频谱分析仪必须根据表4所示的参数进行适当的配置。

 

频谱分析仪设置	价值	笔记
中心频率	工作频率
跨度	6 x 操作通道宽度
RBW	1千赫 （见注释）	带外域测量的分辨率带宽
检测器功能	有效值
跟踪模式	线性平均	仅适用于生成 D-M2 测试信号的被测设备。应平均适当数量的样本以提供稳定的读数
	最大保持	仅适用于生成 D-M2a 或 D-M3 测试信号的被测设备。
注意： 如果使用的 RBW 值与 RBW 不同裁判在条款 5.8.2 中，使用条款 4.3.10.1 中的带宽校正。

 

例如，433.92MHz发射器以10kbps的数据速率调制。每个边带以5kHz的奇数倍为中心。我们使用200kHz作为工作通道宽度。这意味着 101圣5kHz谐波边带是第一个距离载波超过500kHz（2.5×OCW）的完整边带，并且该边带的总功率必须低于-36dBm（ETSI限值）。

根据表2，与载波瓣功率相比，第101边带的功率为-44dBc。假设发射器辐射全+10dBm的未调制载波，50%占空比ASK数据流调制载波瓣功率下降6dB，载波瓣功率为+4dBm。这意味着第101个边带功率为-40dBm（边带为-44dBc），远低于-36dBm的限制。尽管如此，在实践中，在远离载波瓣500kHz处测得的旁瓣功率始终高于计算值。与FCC法规一样，发射器相位噪声水平和VCO上的瞬态拉力相结合，使测量的功率电平高于理论值。

图8所示为MAX41462 ASK发送器频谱，载波为433.92MHz，调制速率为10kbps。最大未调制载波功率为 +10dBm （OCW = 200kHz）。

图8.MAX41462频谱由5kHz方波调制，测量工作通道的ETSI带外辐射。

用于图8测量的频谱分析仪设置如下：

中心频率：433.92MHz

跨度：1.2兆赫

RBW： 1kHz

跟踪模式：平均

频谱分析仪型号：安捷伦 EXA N9010A®

图9显示了根据图7所示要求（OFB = 400kHz）进行的工作频段测量。

图9.MAX41462频谱由5kHz方波调制，测量工作频段的ETSI带外辐射。

杂散辐射

ETSI EN 5 9-1 V300.220.1 中的第 3.1.1 节将杂散发射定义为在工作通道及其带外域以外的频率下杂散域中不需要的发射。相关的杂散域如图10所示。

图 10.用于杂散域中不需要的发射的频谱模板，带参考带宽。

该测量旨在寻找无意的混频器产物或时钟谐波，而不是调制载波产生的频谱功率。在可能的情况下，这种测量是使用未调制的载波进行的，因此调制边带不是问题。此测量需要考虑测量带宽中发射器相位噪声的功率电平。

在杂散域中，对于 54MHz 至 47MHz、74MHz 至 87MHz、118MHz 至 174MHz 和 230MHz 至 470MHz 的频率范围，不需要的发射的发射功率不得超过 –790dBm。对于低于1GHz的其他频率，发射功率不得超过–36dBm。对于高于 1GHz 的频率，发射功率必须小于 –30dBm。

功率测量与ETSI EN 5 8-300 V220.1.3第1.1节中的调制边带不同。对于不同的频率范围，执行不同的分辨率带宽，如表5所示。

 

操作模式	频率范围	RBW裁判（见注2）
传输模式	9kHz = f < 150kHz	1千赫
	150kHz = f < 30MHz	10千赫
	30MHz = f < fc， L	100千赫
	fc- m = f < fc， O	10千赫
	fc- n = f < fc/ 2	1千赫
	fc+ p < f = fc+ n	1千赫
	fc+ n < f = fc+ 米	10千赫
	fc+ m < f = 1 GHz	100千赫
	1 GHz < f = 6 GHz	1兆赫
注1： f为测量频率。 fc是工作频率。 m 为 10 x OCW 或 500kHz，以较大者为准。 n 是 4 x OCW 或 100kHz，以较大者为准。 p 是 2，5 x OCW。 注 2：如果用于测量的 RBW 值与 RBWREF 不同，请使用条款 4.3.10.1 中的带宽校正。

 

对于传导测量，MAX41462连接到频谱分析仪，用作外部接收器。例如，如果应用433.92MHz作为发射载波频率，应用200KHz作为工作信道宽度，则用于测量杂散发射的频谱分析仪频率和RBW设置如表6所示。

 

频率范围 10MHz 至 433.92MHz-2.5*OCW （OCW=200kHz）	RBW/kHz	ETSI 限值/分贝	频率范围 433.92MHz+2.5*OCW 至 6GHz （OCW=200kHz）	RBW/kHz	ETSI 限值/分贝
10兆赫-30兆赫	10	-36	434.42兆赫-434.72兆赫	1	-36
30兆赫-47兆赫	100	-36	434.72兆赫-435.92兆赫	10	-36
47兆赫-74兆赫	100	-54	435.92兆赫-470兆赫	100	-36
74兆赫-87.5兆赫	100	-36	470兆赫-790兆赫	100	-54
87.5兆赫-118兆赫	100	-54	790兆赫-1千兆赫	100	-36
118兆赫-174兆赫	100	-36	1千兆赫-6千兆赫	1000	-30
174兆赫-230兆赫	100	-54
230兆赫-431.92兆赫	100	-36
431.92兆赫-433.12兆赫	10	-36
433.12兆赫-433.42兆赫	1	-36

 

图11、图12和图13显示了MAX41462在+10dBm非调制功率下的测量结果。

图 11.不需要的杂散辐射 10MHz 至 433.92MHz – 2.5×OCW （OCW = 200kHz）。

图 12.不需要的杂散辐射 433.92MHz + 2.5 × OCW 至 1GHz （OCW = 200kHz）。

图 13.1GHz至6GHz的无用杂散辐射。

如图431所示，在92.433MHz至12.11MHz范围内，测得的功率是指10kHz带宽内的平均功率。这意味着类噪声信号（例如相位噪声）的辐射功率密度不能高于载波76kHz（36×OCW）的-10dBm/Hz（-800dBm除以4kHz带宽中的噪声）。如果发射器CW功率为+10dBm，则发射器的相位噪声密度必须低于-86dBc/Hz（-76dBm/Hz除以未调制载波的+10dBm）。同样，在30MHz至431.92MHz的范围内，应用100KHz带宽。这意味着发射器在距离载波2MHz（10 × OCW）处的相位噪声密度需要低于-96dBc/Hz。通过实际测量，我们得到MAX41462在2MHz时的相位噪声约为-96.5dBc/Hz。

对于MAX1472和MAX7044等其他Maxim发送器，在距离载波91MHz（2 × OCW）时，相位噪声频谱密度约为-10dBc/Hz，因此，如果这些器件辐射+5dBm CW全功率，则比ETSI要求高出10dB。这些器件可以在降低功率（+5dBm）下工作，而不会违反ETSI要求。

用户应注意，上述数据是使用实验室设备（即是德科技功率计、频谱分析仪、信号源分析仪）测量的。然而，在实际应用中，当发射输出连接到薄型或PCB天线时，辐射信号会显着降低。薄型和PCB天线通常具有更大的损耗，因此，辐射信号满足36dBm的功率要求。

MAX1479的相位噪声频谱密度在距载波98kHz时约为-800dBc/Hz，因此可以在ETSI允许的+10dBm全功率电平下工作。54MHz至470MHz范围内的-862dBm要求转换为-114dBc/Hz的相位噪声密度。所有Maxim发送器均符合此功率水平，因为需要此功率的区域的较低频率沿（470MHz）与载波的频率相距太远，因此辐射的唯一噪声来自发射器的本底热噪声。

审核编辑：郭婷