蓝牙RF射频抗干扰分析
概述
在说抗干扰之前,我们先了解下我们整个信号的一个基本链路流程,如图:
信号从天线采集进来，通过芯片的LNA、Filter等链路后解调出来，再到基带进行数据后期的处理；
在这里面，信噪比就成了我们无法绕开的一环, 信噪比（SIGNAL NOISE RATIO，SNR or S/N），即放大器的输出信号的功率，与同时输出的噪声功率的比值，常常用分贝数表示。设备的信噪比越高表明它产生的杂讯越少。
一般来说，信噪比越大，说明混在信号里的噪声越小，信号质量越高，否则相反。
而芯片能够解调出来的最小信噪比即为信号的解调门限；
举例某款芯片的解调门限为13dB，即信号S比噪声N要大13dB才能有效解调出来；
那么我们所有的抗干扰的事情其实就可以归结为保证我们解调前的信噪比能达到13dB即可；由信噪比定义S/N，我们知道，信号S尽可能的大，而噪声N尽可能小，我们即可达到最佳的抗干扰效果；
而影响抗干扰的因素主要可以按如下图分类：
信号
正常来说，作为接收端，我们只能被动的接收信号，而其常规的接收路径如下图：
信号通过天线接收后经过匹配网络进入IC内部LNA后，再进行后续的一系列处理事宜；而在这个过程中，我们可以看到芯片真正处理的信号是从进入IC那一刻开始的；那么信号从天线接收端到芯片输入端的质量就需要天线与匹配网络来保证了；
天线
而天线往往又涉及三个方面：
1.天线方向
2.天线频宽
3.天线效率
天线方向性
天线是有方向性的，对于接收天线而言，方向性标示天线对不同方向传来的电波所具有的接受能力；
天线的方向性可以由方向图很好的表示出来，它说明了天线在空间各个方向上所具有的发射或接收信号的能力。
天线频宽
同时，不同的天线有着不同的频宽，对应信号接收频率应该落在天线的工作频宽内才可以保证信号有效的接收；
以我们蓝牙为例，其工作平频率在2402MHz~2480MHz；
由频率与波长的换算公式：λ=c/f，则可知道我们通讯波长范围为：12.096cm~12.49cm之间；
通常有半波长(1/2*λ)天线和四分之一波长(1/4*λ)天线时，蓝牙模块由于PCB尺寸较小，最常PCB天线设计为四分之一波长天线，理论长度在30.24mm~31.25mm之间,通常取30.745mm。
详情参考
蓝牙2.4G天线设计_技术专栏_SUNSHINE SILICON
天线效率
而所谓天线效率，即天线的辐射功率与输入功率之比；
通俗一点说就是实际接收到的功率跟实际信号功率的比值；
这个值是恒小于1的，但从定义我们知道，这个值越大，我们实际接收到的功率越高，即S越大；
一般而言，我们要求客户在产品制作时的无源自由场天线效率达到30%,无源头模天线效率达到10%。
阻抗匹配
除了上面说的天线部分，另外一个影响信号的因素便是阻抗匹配；关于阻抗匹配，我们可以通过如下两点来阐述：
1.阻抗匹配
2.驻波比
阻抗匹配是指信号源或者传输线跟负载之间的一种合适的搭配方式,用以使所有高频信号皆能传至负载点的目的，且不会有信号反射回来源点，从而提升能源效益。信号源内阻与所接传输线的特性阻抗大小相等且相位相同，或传输线的特性阻抗与所接负载阻抗的大小相等且相位相同，分别称为传输线的输入端或输出端处于阻抗匹配状态，简称为阻抗匹配； 故阻抗匹配我们往往需要考虑两个方面：
1.输出阻抗与输入阻抗匹配以获得最大功率
2.传输线与负载阻抗相匹配以减少反射问题
在射频系统中，芯片的阻抗设计一般为50欧姆，为了获得最大功率，我们则可以通过调节匹配网络中的参数来使得天线端+匹配网络端的阻抗达到50欧姆；判断方式我们可以借助于网络分析仪来实现；
在高频电路中，当信号的频率很高是，则信号的波长就很短，当波长短得跟传输线长度可以比拟时，反射信号叠加在原信号上将会改变原信号的形状；而当传输线的特征阻抗与负载阻抗不匹配时，在负载端就会产生反射；原信号跟反射信号在相位相同的地方振幅相加最大，形成波腹；而在相位相反的地方振幅相减最小，形成波节；其他各点的振幅则介于波腹与波节之间，这种合成波称为驻波，而反射信号与原信号的幅度之比叫做驻波比，也叫反射系数；由此我们可以看出负载阻抗与传输线特征阻抗越接近，反射系数越小，驻波比越接近于1，匹配越好； 下表列出了不同驻波比下对网络的影响；而我们实际匹配时，建议将驻波比控制在1.4以内。
噪声
相比较信号的影响，噪声的情况更加复杂，所有除了信号因素以外的影响抗干扰效果的因素我们都可以统称为噪声；其种类更多，干扰方式及原理也各不相同；下面我们来一一分析；
电路噪声
关于电路噪声，我们大致可以分为外部噪声和内部噪声两大类；
外部噪声
外部噪声，顾名思义来源于IC外部；若有外部噪声引起干扰时，这是我们应该优先解决的重点；而外部噪声我们又可以大致分为三种：
RFI（射频干扰）耦合
众所周知，我们周围充斥着各种电磁波，而这些电磁波往往可以通过一些耦合路径，尤其是当我们存在一些较长的引线时，这些电磁波往往会经过他们进入到我们芯片内部；当这些电磁波落入在我们目标带宽内时，便成了干扰；在蓝牙耳机产品中，电池线与喇叭线往往是这些干扰进入芯片的绝好路径；
电源噪声
电源作为一个能量提供者，其同时也是干扰的产生者；电子电路抑制电源干扰的能力极其有限，尤其是频率较高时，我们必须对电源进行适当的滤波处理；对于敏感的电路甚至要做到深度滤波处理；
接地噪声
绘制原理图时，我们往往会有很多个接地符号，理论上来说它们应该也是等电位的；但在实际电路中，任何两点的电位都不可能完全相等，电流会流经地线，从而产生电位差；所以在实际的PCB Layout布局时，需要我们考虑电流如何流动，并且将高电流路径与敏感电流路径相隔离等等来最大限度的降低接地噪声；如星型接地、单点接地是我们常用的方式；
内部噪声
相比较于外部噪声，内部噪声来源于芯片内部，往往是信号链中的电路元件带来；其主要分为如下三种内部噪声：
电阻噪声
运算放大器噪声
A/D噪声
这些噪声往往是在芯片设计时需要考虑的，应用者往往关注一下芯片的datasheet即可；
相位噪声
通常情况下，通常情况下，一个单频率正弦信号在频域上应该是一个单脉冲，而实际观察中，会发现在频谱上在该频率周围起刺，低噪被抬起来了，越接近信号频率，噪声越高，相位噪声就是描述这种噪声干扰的。在某频率下1hz频宽，噪声功率与载波的比值,即为相位噪声，这个是接收机本振信号的重要指标；蓝牙协会规定的一些测试规范诸如CI测试，其本质也是对相位噪声的考量；
如下图表所示,标准分别规定了在BR,EDR情况下的同频，邻频以及镜频下的测试要求；
以某款1M中频系统的芯片为例，其RX结构就不可避免的受到相位噪声的影响；随着本振LO相位噪声越大，在频谱仪上的表现就是越肥，而越肥的LO则更容易与噪声（非LO部分）进行混叠，而混叠进去的噪声会随着整个链路的处理而一直存在；
随着信号的放大而放大，进而引起抗干扰特性的恶化。
如图，红色区域为LO与Noise混叠的部分
上图直观的显示了越靠近LO的Noise就越容易与之混叠，对抗干扰的影响越大；故而相位噪声是芯片设计时需要重点考虑的事情。
同频干扰
如果说相位噪声的影响是把一些本不该在该频点的干扰混叠了一部分进来，那同频干扰则是干扰直接百分之一百与LO叠加起来；
该情况下，有用信号与干扰信号已经完全混合在一起；
这个已经无关相位噪声的问题，也不是滤波器所能滤除的了；
唯一能够依赖的便是文章开头提到的解调门限；
如上文举例的某款芯片的解调门限为13dB，按有用信号为-70dB计算，若同频干扰大于-83dB，则该信号将无法解调出来；
而芯片的解调门限是芯片的固有特性，不随外界环境的变化而变化，所以在同频时，我们几乎可以将灵敏度与抗干扰等同起来，而解调门限则决定了它们所能达到的极限。
镜频干扰
前面CI测试中，还提到了镜频，所谓镜频即为镜像频率;如下图，通过将两个（ωLO+ωIF）和（ωLO-ωIF ）频率的射频输入信号与本地振荡ωLO 频率混合，并将其下变频为相同的中频（IF）ωIF ，同样以某款1M中频系统的芯片为例，其有用信号频率为（ωLO+ωIF），则另一个信号频率（ωLO-ωIF ）即为镜像频率，而镜像频率所对应的干扰即为镜频干扰；
干扰一旦通过下变频为相同的中频（IF）ωIF ，便如同上述同频干扰一样无法滤除出来了；
所以我们必须考虑在混频之前竟可能将镜像抑制，而抑制镜像信号目前最常用的办法就是利用放在混频器前面的一个镜像抑制滤波器来实现。下图为抑制镜像的示意图：
交调干扰
交调干扰是因为非线性器件转移函数的3次或者3次以上的项，所引起的其他调制频率进入到被干扰频率的一种现象。该干扰的产生与上述相位噪声无关，同时也与镜频干扰是由于对称信号经过混频器混频之后产生不同，交调干扰是由于两个不同频率的信号通过一个非线性系统时而形成的干扰信号；
听过收音机的朋友应该以前都有遇到过串台的情况，而这就是交调干扰所造成的；
交调干扰信号有三阶、五阶、七阶或者更多阶的分量，但是三阶交调分量最大。所以实际应用中我们考虑更多的是三阶交调干扰；
如下图， 上述两个频率点ω1 和ω2 在经过非线性系统后产生了两个三阶交调项（2ω1 -ω2 ）与（2ω2 -ω1 ）；
当其中任意一项落入频带内，便对系统产生了交调干扰；故而蓝牙协会对于交调也给出了相应测试规范，见下图：
减敏与阻塞
压缩特性的电路处理一个微弱的有用信号时，若还存在一个较强的干扰信号，则会出现一个有趣的现象；因为一个大信号会降低电路的平均增益，这个小信号将会具有一个近乎零的小增益；
我们称之为减敏现象；而当这个有用信号为小信号，而大信号为干扰的时候，这是我们会说该信号被阻塞了；
在RF设计中，阻塞信号一般是指减敏一个电路的干扰信号，即使这时增益并没有减为0.针对该现象，蓝牙协会同时也规范了关于阻塞特性的测试，如下图：
由此，我们可以看到，抗干扰的事情在层层抽丝剥茧后其实也没那么复杂，不过就是信号与噪声的事情罢了；
而作为应用开发者，在实际遇到问题时，我们多关注一下匹配情况、天线效率以及外部噪声就好啦。
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