1975年，美國負責監管射頻（RF）發射的政府機構聯邦通信委員會（FCC）頒布了名為FCC Part 15的新法規。這些不是針對控制無線電和電視發射機等設備，也不是故意輻射高功率射頻能量的飛機導航和緊急信標。相反，這些法規試圖控制不故意輻射射頻能量的設備，如電視、汽車和低功耗、不受管制的射頻輻射器，如對講機和電子遙控器。在 1980 年代和 1990 年代，從微波爐到手機的電子設備激增。這些設備之間的交叉干擾成為一個問題。解決輻射發射問題的傳統方法包括屏蔽、仔細的電路板布局以及濾波以減少不需要的輻射發射。隨著電子設備變得越來越小，使用了另一種從通信應用中借用的技術擴頻。本文介紹了擴頻的背景和歷史，并描述了今天如何將其用作減少消費電子設備中輻射發射的技術。

概述

1975年，美國負責監管射頻（RF）發射的政府機構聯邦通信委員會（FCC）頒布了名為FCC Part 15的新法規。這些不是針對控制無線電和電視發射機等設備，也不是故意輻射高功率射頻能量的飛機導航和緊急信標。相反，這些法規試圖控制不故意輻射射頻能量的設備，如電視、汽車和低功耗、不受管制的射頻輻射器，如對講機和電子遙控器。

這些規定背后的動機的一個很好的例子發生在幾年前的達拉斯/沃斯堡機場。飛行員在起飛和著陸期間報告了最近開發的電子飛行控制系統失控的情況。FCC將原因追溯到周圍郊區家庭中遙控車庫門開啟器的干擾。Part 15 法規通過要求在美國銷售的所有電子設備都經過測試和認證來解決這個問題，以確保不會有可能導致其他電子設備故障的輻射射頻能量。

在 1980 年代和 1990 年代，從微波爐到手機的電子設備激增。這些設備之間的交叉干擾成為一個問題。微波爐干擾了心臟起搏器，而電纜調制解調器干擾了無繩電話。同樣，計算機顯示器輻射出足夠的射頻能量，干擾了附近的大多數其他電子設備。

FCC和其他監管機構，如歐洲的電磁兼容性（EMC）機構，對所有電子產品中的這些排放進行了更嚴格的監管。在美國，FCC 第 68 部分受工業和商業電子設備監管。第68部分A類涉及工業環境中使用的設備，而第68部分B類涉及消費品。本文將僅重點介紹 B 類電子產品。

減少輻射發射

輻射發射發生在任何具有變化的電信號輻射發射的電子產品中。在時鐘以一定頻率運行的PC主板的情況下，它將輻射緊緊圍繞主振蕩器頻率的RF能量。

定義：

輻射敏感性是電子設備對來自外部射頻能量源接口的靈敏度。

輻射發射是由一臺電氣設備（如 PC 或顯示器）無意中輻射的射頻能量，這可能會對另一臺電氣設備產生一些影響。

EMC（電磁兼容性）：電子設備成為“良好電磁鄰居”的能力：它既不會引起電磁干擾，也不會受到電磁干擾（在適用標準的范圍內）。參見：術語表定義

EMI（電磁干擾）：來自電磁輻射的有害噪聲。參見：術語表定義

如果測量來自PC主板的輻射RF能量，則振蕩器中心頻率處存在輻射尖峰（圖1）。FCC 對消費品的要求（FCC 第 68 部分，B 類）要求在任何給定頻率下輻射發射必須低于規定的最大值。

圖1.典型晶體振蕩器發射與 FCC 最大值的比較。

具有諷刺意味的是，這些標準并沒有減少輻射的能量總量，只會減少在任何一個頻率下可能輻射的峰值能量。

減少輻射發射的傳統、較老的方法涉及遏制。一臺個人電腦使用其接地的鋼柜作為屏蔽來攔截和消散主板輻射的能量。封閉電子設備中使用的塑料柜通常涂有金屬層并接地以達到相同的目的。隨著電子產品的激增并變得越來越小，遏制技術變得更加難以實現。電子產品的時鐘速度更高，包括更高的諧波頻率，這迫使設計人員使用屏蔽、EMI濾波和仔細的電路布局等技術來減少輻射發射。隨著消費電子產品的萎縮，這種方法變得昂貴且更加困難。需要一種新的方法來減少這些峰值輻射發射。

通過擴展或抖動系統時鐘的頻率，輻射發射可以在窄頻譜上“涂抹”，從而減少任何一個頻率的峰值輻射發射。這簡化了設計工程師的任務并降低了制造產品的成本。在過去幾年中，這種使用擴頻時鐘振蕩器來減少峰值輻射發射的做法在從PC主板到打印機的所有產品中都得到了普及。

擴頻的歷史

在第二次世界大戰期間，美國海軍遇到了無線電控制魚雷的問題，這些魚雷被調諧到與發射無線電相同頻率的高強度射頻信號“干擾”。這是輻射敏感性的一個例子。11 年 1942 月 2 日，海蒂·凱斯勒·馬基和喬治·安泰爾獲得了解決這一問題的“秘密通信系統”的美國專利號 292，387，<>。該設備使用一種機制在發射器上的頻率之間快速切換（這種技術類似于現在所說的跳頻）。魚雷接收器上的類似設備在相同頻率之間切換并捕獲傳輸信號。控制魚雷的信號從未在任何單個頻率上停留足夠長的時間，以至于被單個頻率的外部RF信號干擾。半個世紀后，這種技術的更復雜的版本被用于減少對蜂窩和無繩電話等通信設備的干擾。

使用擴頻技術減少輻射發射

雖然術語擴頻用于減少消費電子產品中輻射發射的技術，但該應用與無繩電話等設備中使用的應用不同。在無繩電話中，發射器和接收器的工作頻率被一致掃過一個頻帶，從而減少了任何一個頻率的外部輻射的影響。

在PC等消費類產品中，使用擴頻技術來減少無意發射機的RF，涉及在頻率頻帶上掃描驅動PC的時鐘。因此，任何輻射發射都分布在頻段上，并且只有總能量的一小部分以任何一個頻率輻射。這會將該頻率的峰值能量降低到FCC規定的水平以下。

上述方法使用施加到振蕩器的信號，該信號根據信號電平移動頻率。在最簡單的形式中，三角形信號施加到振蕩器電路上，振蕩器電路根據三角形幅度的函數改變振蕩器的頻率（圖 2）。實際上，所應用信號的形狀可能與此三角形示例略有不同。

圖2.振蕩器抖動。

圖3.時鐘頻譜抖動比較。

圖3顯示了抖動DS1086振蕩器的輻射發射輸出與前面所示晶體振蕩器的輻射發射輸出。圖中顯示DS1086的抖動輸出為0%，抖動輸出為4%。該圖顯示了振蕩器頻率的“擴散”如何將任何特定頻率的峰值輻射發射降低到FCC規定的水平以下。選擇抖動信號的頻率，使其遠低于其抖動的振蕩器的頻率。因此，由振蕩器驅動的電子設備不受快速頻率變化的影響。它還被選擇在頻率的可聽范圍以上，以便電路中的無功元件（例如電容器和電感器）不會產生可聽噪聲。上圖顯示了晶體振蕩器的輻射能量頻譜，在經濟振蕩器上呈“0%”擴散，在經濟振蕩器?上呈4%的擴散。2%的點差可用，但未顯示。“0%”點差實際上大約是1/<>%到<>%的點差，這是由于經濟振蕩器架構固有的抖動特性。

The DS1086

DS1086是一款經濟振蕩器，設計用于在振蕩器輸出端產生抖動，減少從打印機到游戲機等系統中的輻射發射。該器件由一個可編程的 66MHz 至 133MHz 時鐘頻率發生器組成，可通過一個 10 線接口以 2kHz 的增量進行調諧。這與將主振蕩器頻率除以 2 的預分頻器結合使用X（其中 x = 0 至 8），提供從 260kHz 到 133MHz 的廣泛頻率選擇。輸入引腳提供控制，用于對時鐘輸出進行選通、打開和關閉抖動以及禁用主振蕩器。可選擇三個抖動選項：“0%”、“2%”和 4%。與其他制造商的低EMI振蕩器不同，DS1086無需外部晶振或時鐘基準即可工作，使其成為目前尺寸最小的低EMI時鐘（圖4）。該器件采用 8 引腳 SO 封裝。

圖4.DS1086擴頻經濟振蕩器。

與其他經濟振蕩器一樣，DS1086使用精確控制的數模轉換器（DAC）和校準的壓控振蕩器（VCO）來產生中心頻率輸出。通過將三角波電壓信號相加到VCO輸入中，將頻率抖動注入輸出頻率。三角波的幅度決定了輸出時鐘中的百分比抖動。這可以設置為 0%、2% 或 4%，具體取決于應用程序。請注意，0% 抖動選擇具有大約 1% 的抖動，這是所有經濟振蕩器架構所固有的。與晶體振蕩器相比，即使是具有此特性的標準經濟振蕩器，輻射頻譜也減少了10dBm，而無需任何額外的電路。

總結

消費電子產品的FCC輻射發射合規標準使電路設計人員的工程工作變得越來越困難。更快的時鐘速度包括更高的諧波頻率，迫使設計人員使用屏蔽、EMI濾波和仔細的電路板布局來減少輻射發射。通過在系統時鐘的中心頻率上添加頻率調制（FM）或“抖動”，輻射發射可以分布在窄頻譜上，從而減少任何一個頻率的峰值輻射發射，滿足FCC要求。

這簡化了設計人員的工程任務，并可以大大降低成品的成本。在過去幾年中，擴頻時鐘振蕩器的使用越來越受歡迎。時鐘的特點是頻率的相對精確的短期穩定性，通常在200ppm到300ppm的數量級。長期頻率穩定性在振蕩器中心頻率的 4/<>% 至 <>% 的頻率值范圍內掃描。

審核編輯：郭婷