从基带到射频的物联网测试

2016-10-14  by:CAE仿真在线  来源:互联网

物联网(IoT)是近些年来的一个热词,智能家居产品的研制在国内外也开始轰轰烈烈地行动起来,与此相关的RFID, NFC, WiFi, BlueTooth, ZigBee, Z-Wave 等短距离的无线通讯技术和新标准也层出不穷。

ZigBee是一种低速短距离传输的无线网络协议,从下到上分别为物理层(PHY)、媒体访问控制层(MAC)、传输层(TL)、网络层(NWK)、应用层(APL)等。其中物理层和媒体访问控制层遵循IEEE 802.15.4标准的规定,该规范是一种经济、高效、低数据速率(<250kbps)、工作在2.4GHz(全球)和868(欧洲)/915MHz(北美)的无线技术。它们的信道数量和信道带宽也各不相同。868MHz和915MHz频段采用的是BPSK调制技术,2.4GHz频段采用的是OQPSK调制技术。

与ZigBee类似的标准还有Z-wave、ANT、EnOcean等,相互之间不兼容。Z-wave在智能家居方面占据了强势地位,它具有低成本、低功耗、高可靠、适于网络的短距离无线通信技术。工作频带为908.42MHz(美国),868.42MHz(欧洲),采用FSK(BFSK/GFSK)调制方式,数据传输速率为9.6 kbps和40 kbps。

EnOcean是世界上唯一使用能量采集技术的无线国际标准。通过采集周围环境产生的能量,比如机械能,室内的光能,温度差的能量等,把这些能量经过处理以后,供给EnOcean超低功耗的无线通讯模块,实现真正的无数据线,无电源线,无电池的通讯系统。与同类技术相比,功耗最低,传输距离最远,可以组网并且支持中继。EnOcean工作的频段有:868 MHz、315 MHz、902 MHz,采用ASK调制技术,每个无线电信号占用信道的时间是1毫秒,传输速率125KB/s。

在能源以及工业控制等领域,还有Wi-SUN, WirelessHART等标准。

IPv6/6Lowpan具有许多优势: 可以运行在多种介质上,很可能成为该领域的事实标准。

标准可谓种类繁多,从物理层到7层协议的若干层都具有不同的规定。高层的测试可以通过相关的协议分析仪或者价格敏感的用户可以通过软件进行测试。这里我们集中讨论有关物理层的测试。即使是无线连接的物理层,这些不同的标准也采用了不同的频率,它们普遍用到的频率有315/433/868/915MHz,2.4GHz甚至5.8GH,它们采用了不同的调制方式,比如ASK,FSK,OQPSK等等。当然,基带的处理也各不相同。

不同频率的射频收发模块加上基带处理是这类产品的主要组成部分,已经被广泛地应用在这些领域,比如:无线报警,无线抄表,安全系统,工业监测和控制,智能穿戴,智能家居,智能物流,智能停车场,遥控,玩具等等各种物联网的应用中。在国内,研发,生产这类产品的厂家也非常多。下面以近些年来越来越普及的2.4GHz频段为例,阐述一下针对这类产品从基带到射频的测试方法。

在这些产品中都少不了要用到射频收发模块,TI,NORDIC等公司都提供了丰富的射频收发芯片,比如TI的CC2520等,NORDIC公司的nRF24L01等,都是著名的被广泛应用于无线收发模块上的芯片。这些芯片可以方便地与MCU或FPGA等构成各种满足不同应用的产品,它的主要特点如下:

1. 2.4GHz 全球开放ISM 频段免许可证使用

2. 工作速率可调,最高工作速率达2Mbps左右

3. 采用FSK,MSK,GFSK等调制,抗干扰能力强,特别适合工业控制场合

4. 支持多信道,有的多达100多个,满足多点通信和跳频通信需要

5. 内置硬件CRC 检错和点对多点通信地址控制

6. 输出功率可程控

7. 接收灵敏度高,可达-80dBm 左右,甚至更低电平

8. 通过SPI等接口完成数据的交换,包括数据的发送,数据的接收。

这类芯片的内部结构示意图如图1所示:

图1:2.4GHz射频收发芯片内部结构示意图

图2是基于TI和NORDIC芯片的2.4GHz无线收发模块,下面我们就针对这类产品讨论一下测试的方法。

针对这类产品的研发,生产测试,通常会需要用到以下的测量仪器:

1. 直流电源提供直流供电,比如DP832,DP831等;

2. 频谱分析仪,测量分析发射信号的频谱,比如DSA832或DSA875;

3. 带数字调制功能的射频信号源,模拟产生带GFSK等调制的信号,测试模块的接收性能,比如DSG3030-IQ或DSG3060-IQ;

4. 四通道数字示波器,用于测试SPI总线和基带信号等,比如DS/MSO4000系列。

这类产品的收发性能测量的设置如图3所示,如果这些东西都凑齐了,我们就可以对这类产品开始从基带到射频,从数字到模拟的微测了。

射频模块与MCU之间是通过SPI总线对模块进行配置,控制,并传送发射或接收的数据的,我们可以使用带SPI总线的触发和解码功能的数字示波器,比如DS4054或MSO4054对SPI总线进行测试,以便验证实际的通信信号是否正确。SPI规范所定义的读写操作的时序如下:

我们通过DS4054设置SPI的触发条件,可设置成触发在当一特定数据出现时,比如:

一旦触发条件中所设置的数据出现在SPI总线上时,DS4054就会捕获到,不但能看到波形显示,还能通过SPI解码功能显示出每帧的具体内容,一旦出现错误,可以分析是软件错误还是信号失真或干扰导致的错误。

对于模块的射频发射性能测试,通常会需要使用频谱分析仪来测量模块在发射单一载波情况下的频率,功率,2次,3次谐波,如图7所示。

以及在发送调制信号情况下的信道功率,邻道功率,临道抑制比等参数,如图8所示。

可以测量在不同功率设置,不同调制速率设置,不同信道设置等情况下的实际输出频谱情况。图9 是使用DSA875对发射频率是2.4GHz的GFSK调制的信号的测量,通过标尺还可以测量出两个调制频点之间的频差。

针对模块的接收性能测试,可通过使用带有数字调制功能的射频信号源DSG3030-IQ来产生模块所需的测试信号。设置所需的输出频率,功率,调取事先通过配套的上位机软件 Ultra IQ station编辑好的包含有被发射的原始数据的能产生GFSK或其他调制类型的文件,即可产生所需的测试信号。

图10: 通过DSG3030-IQ矢量信号源产生频率是2.4GHz的GFSK调制信号

为了测试模块的接收灵敏度,需要降低DSG3030-IQ的输出功率,接收的质量可通过测量实际接收到的基带数据的误码情况来体现出来,可以通过编程计算误码率。由于这些芯片都内置了CRC 检错功能,而且开发工具都提供了收发模块的设置,编辑和控制功能,通过开发工具可以显示出接收到的数据包情况,通过CRC的值可反应出误码的情况。

数字示波器DS4054具有最大达140M的存储深度,通过它可采集并观察接收端实际接收到的被解调了之后的基带数据的具体波形,还可尝试通过与发射的数据的波形进行比较来判断发射的和接收到的数据是否一致。

由于物联网产品的市场竞争比较激烈,很多用户都对成本比较敏感,RIGOL可以提供从基带到射频的适用的测试解决方案。如果您有这方面的测试需求,我们可以一起讨论一下具体的实现方法。

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