從基帶到射頻的物聯網測試

2016-10-14  by:CAE仿真在線  來源:互聯網

物聯網(IoT)是近些年來的一個熱詞,智能家居產品的研制在國內外也開始轟轟烈烈地行動起來,與此相關的RFID, NFC, WiFi, BlueTooth, ZigBee, Z-Wave 等短距離的無線通訊技術和新標準也層出不窮。

ZigBee是一種低速短距離傳輸的無線網絡協議,從下到上分別為物理層(PHY)、媒體訪問控制層(MAC)、傳輸層(TL)、網絡層(NWK)、應用層(APL)等。其中物理層和媒體訪問控制層遵循IEEE 802.15.4標準的規定,該規范是一種經濟、高效、低數據速率(<250kbps)、工作在2.4GHz(全球)和868(歐洲)/915MHz(北美)的無線技術。它們的信道數量和信道帶寬也各不相同。868MHz和915MHz頻段采用的是BPSK調制技術,2.4GHz頻段采用的是OQPSK調制技術。

與ZigBee類似的標準還有Z-wave、ANT、EnOcean等,相互之間不兼容。Z-wave在智能家居方面占據了強勢地位,它具有低成本、低功耗、高可靠、適于網絡的短距離無線通信技術。工作頻帶為908.42MHz(美國),868.42MHz(歐洲),采用FSK(BFSK/GFSK)調制方式,數據傳輸速率為9.6 kbps和40 kbps。

EnOcean是世界上唯一使用能量采集技術的無線國際標準。通過采集周圍環境產生的能量,比如機械能,室內的光能,溫度差的能量等,把這些能量經過處理以后,供給EnOcean超低功耗的無線通訊模塊,實現真正的無數據線,無電源線,無電池的通訊系統。與同類技術相比,功耗最低,傳輸距離最遠,可以組網并且支持中繼。EnOcean工作的頻段有:868 MHz、315 MHz、902 MHz,采用ASK調制技術,每個無線電信號占用信道的時間是1毫秒,傳輸速率125KB/s。

在能源以及工業控制等領域,還有Wi-SUN, WirelessHART等標準。

IPv6/6Lowpan具有許多優勢: 可以運行在多種介質上,很可能成為該領域的事實標準。

標準可謂種類繁多,從物理層到7層協議的若干層都具有不同的規定。高層的測試可以通過相關的協議分析儀或者價格敏感的用戶可以通過軟件進行測試。這里我們集中討論有關物理層的測試。即使是無線連接的物理層,這些不同的標準也采用了不同的頻率,它們普遍用到的頻率有315/433/868/915MHz,2.4GHz甚至5.8GH,它們采用了不同的調制方式,比如ASK,FSK,OQPSK等等。當然,基帶的處理也各不相同。

不同頻率的射頻收發模塊加上基帶處理是這類產品的主要組成部分,已經被廣泛地應用在這些領域,比如:無線報警,無線抄表,安全系統,工業監測和控制,智能穿戴,智能家居,智能物流,智能停車場,遙控,玩具等等各種物聯網的應用中。在國內,研發,生產這類產品的廠家也非常多。下面以近些年來越來越普及的2.4GHz頻段為例,闡述一下針對這類產品從基帶到射頻的測試方法。

在這些產品中都少不了要用到射頻收發模塊,TI,NORDIC等公司都提供了豐富的射頻收發芯片,比如TI的CC2520等,NORDIC公司的nRF24L01等,都是著名的被廣泛應用于無線收發模塊上的芯片。這些芯片可以方便地與MCU或FPGA等構成各種滿足不同應用的產品,它的主要特點如下:

1. 2.4GHz 全球開放ISM 頻段免許可證使用

2. 工作速率可調,最高工作速率達2Mbps左右

3. 采用FSK,MSK,GFSK等調制,抗干擾能力強,特別適合工業控制場合

4. 支持多信道,有的多達100多個,滿足多點通信和跳頻通信需要

5. 內置硬件CRC 檢錯和點對多點通信地址控制

6. 輸出功率可程控

7. 接收靈敏度高,可達-80dBm 左右,甚至更低電平

8. 通過SPI等接口完成數據的交換,包括數據的發送,數據的接收。

這類芯片的內部結構示意圖如圖1所示:

圖1:2.4GHz射頻收發芯片內部結構示意圖

圖2是基于TI和NORDIC芯片的2.4GHz無線收發模塊,下面我們就針對這類產品討論一下測試的方法。

針對這類產品的研發,生產測試,通常會需要用到以下的測量儀器:

1. 直流電源提供直流供電,比如DP832,DP831等;

2. 頻譜分析儀,測量分析發射信號的頻譜,比如DSA832或DSA875;

3. 帶數字調制功能的射頻信號源,模擬產生帶GFSK等調制的信號,測試模塊的接收性能,比如DSG3030-IQ或DSG3060-IQ;

4. 四通道數字示波器,用于測試SPI總線和基帶信號等,比如DS/MSO4000系列。

這類產品的收發性能測量的設置如圖3所示,如果這些東西都湊齊了,我們就可以對這類產品開始從基帶到射頻,從數字到模擬的微測了。

射頻模塊與MCU之間是通過SPI總線對模塊進行配置,控制,并傳送發射或接收的數據的,我們可以使用帶SPI總線的觸發和解碼功能的數字示波器,比如DS4054或MSO4054對SPI總線進行測試,以便驗證實際的通信信號是否正確。SPI規范所定義的讀寫操作的時序如下:

我們通過DS4054設置SPI的觸發條件,可設置成觸發在當一特定數據出現時,比如:

一旦觸發條件中所設置的數據出現在SPI總線上時,DS4054就會捕獲到,不但能看到波形顯示,還能通過SPI解碼功能顯示出每幀的具體內容,一旦出現錯誤,可以分析是軟件錯誤還是信號失真或干擾導致的錯誤。

對于模塊的射頻發射性能測試,通常會需要使用頻譜分析儀來測量模塊在發射單一載波情況下的頻率,功率,2次,3次諧波,如圖7所示。

以及在發送調制信號情況下的信道功率,鄰道功率,臨道抑制比等參數,如圖8所示。

可以測量在不同功率設置,不同調制速率設置,不同信道設置等情況下的實際輸出頻譜情況。圖9 是使用DSA875對發射頻率是2.4GHz的GFSK調制的信號的測量,通過標尺還可以測量出兩個調制頻點之間的頻差。

針對模塊的接收性能測試,可通過使用帶有數字調制功能的射頻信號源DSG3030-IQ來產生模塊所需的測試信號。設置所需的輸出頻率,功率,調取事先通過配套的上位機軟件 Ultra IQ station編輯好的包含有被發射的原始數據的能產生GFSK或其他調制類型的文件,即可產生所需的測試信號。

圖10: 通過DSG3030-IQ矢量信號源產生頻率是2.4GHz的GFSK調制信號

為了測試模塊的接收靈敏度,需要降低DSG3030-IQ的輸出功率,接收的質量可通過測量實際接收到的基帶數據的誤碼情況來體現出來,可以通過編程計算誤碼率。由于這些芯片都內置了CRC 檢錯功能,而且開發工具都提供了收發模塊的設置,編輯和控制功能,通過開發工具可以顯示出接收到的數據包情況,通過CRC的值可反應出誤碼的情況。

數字示波器DS4054具有最大達140M的存儲深度,通過它可采集并觀察接收端實際接收到的被解調了之后的基帶數據的具體波形,還可嘗試通過與發射的數據的波形進行比較來判斷發射的和接收到的數據是否一致。

由于物聯網產品的市場競爭比較激烈,很多用戶都對成本比較敏感,RIGOL可以提供從基帶到射頻的適用的測試解決方案。如果您有這方面的測試需求,我們可以一起討論一下具體的實現方法。

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