從基帶到射頻的物聯(lián)網(wǎng)測(cè)試

2016-10-14 by:CAE仿真在線來源:互聯(lián)網(wǎng)

物聯(lián)網(wǎng)(IoT)是近些年來的一個(gè)熱詞,智能家居產(chǎn)品的研制在國內(nèi)外也開始轟轟烈烈地行動(dòng)起來,與此相關(guān)的RFID, NFC, WiFi, BlueTooth, ZigBee, Z-Wave 等短距離的無線通訊技術(shù)和新標(biāo)準(zhǔn)也層出不窮。

ZigBee是一種低速短距離傳輸?shù)臒o線網(wǎng)絡(luò)協(xié)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(wǎng)絡(luò)層(NWK)、應(yīng)用層(APL)等。其中物理層和媒體訪問控制層遵循IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定,該規(guī)范是一種經(jīng)濟(jì)、高效、低數(shù)據(jù)速率(<250kbps)、工作在2.4GHz(全球)和868(歐洲)/915MHz(北美)的無線技術(shù)。它們的信道數(shù)量和信道帶寬也各不相同。868MHz和915MHz頻段采用的是BPSK調(diào)制技術(shù),2.4GHz頻段采用的是OQPSK調(diào)制技術(shù)。

與ZigBee類似的標(biāo)準(zhǔn)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(jù)了強(qiáng)勢(shì)地位,它具有低成本、低功耗、高可靠、適于網(wǎng)絡(luò)的短距離無線通信技術(shù)。工作頻帶為908.42MHz(美國),868.42MHz(歐洲),采用FSK(BFSK/GFSK)調(diào)制方式,數(shù)據(jù)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(shù)的無線國際標(biāo)準(zhǔn)。通過采集周圍環(huán)境產(chǎn)生的能量,比如機(jī)械能,室內(nèi)的光能,溫度差的能量等,把這些能量經(jīng)過處理以后,供給EnOcean超低功耗的無線通訊模塊,實(shí)現(xiàn)真正的無數(shù)據(jù)線,無電源線,無電池的通訊系統(tǒng)。與同類技術(shù)相比,功耗最低,傳輸距離最遠(yuǎn),可以組網(wǎng)并且支持中繼。EnOcean工作的頻段有:868 MHz、315 MHz、902 MHz,采用ASK調(diào)制技術(shù),每個(gè)無線電信號(hào)占用信道的時(shí)間是1毫秒,傳輸速率125KB/s。

在能源以及工業(yè)控制等領(lǐng)域,還有Wi-SUN, WirelessHART等標(biāo)準(zhǔn)。

IPv6/6Lowpan具有許多優(yōu)勢(shì): 可以運(yùn)行在多種介質(zhì)上,很可能成為該領(lǐng)域的事實(shí)標(biāo)準(zhǔn)。

標(biāo)準(zhǔn)可謂種類繁多,從物理層到7層協(xié)議的若干層都具有不同的規(guī)定。高層的測(cè)試可以通過相關(guān)的協(xié)議分析儀或者價(jià)格敏感的用戶可以通過軟件進(jìn)行測(cè)試。這里我們集中討論有關(guān)物理層的測(cè)試。即使是無線連接的物理層,這些不同的標(biāo)準(zhǔn)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(diào)制方式,比如ASK,FSK,OQPSK等等。當(dāng)然,基帶的處理也各不相同。

不同頻率的射頻收發(fā)模塊加上基帶處理是這類產(chǎn)品的主要組成部分,已經(jīng)被廣泛地應(yīng)用在這些領(lǐng)域,比如:無線報(bào)警,無線抄表,安全系統(tǒng),工業(yè)監(jiān)測(cè)和控制,智能穿戴,智能家居,智能物流,智能停車場(chǎng),遙控,玩具等等各種物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用中。在國內(nèi),研發(fā),生產(chǎn)這類產(chǎn)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(duì)這類產(chǎn)品從基帶到射頻的測(cè)試方法。

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

2.4GHz 全球開放ISM 頻段免許可證使用
工作速率可調(diào),最高工作速率達(dá)2Mbps左右
采用FSK,MSK,GFSK等調(diào)制,抗干擾能力強(qiáng),特別適合工業(yè)控制場(chǎng)合
支持多信道,有的多達(dá)100多個(gè),滿足多點(diǎn)通信和跳頻通信需要
內(nèi)置硬件CRC 檢錯(cuò)和點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)通信地址控制
輸出功率可程控
接收靈敏度高,可達(dá)-80dBm 左右,甚至更低電平
通過SPI等接口完成數(shù)據(jù)的交換,包括數(shù)據(jù)的發(fā)送,數(shù)據(jù)的接收。

這類芯片的內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示:

圖1:2.4GHz射頻收發(fā)芯片內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖

圖2是基于TI和NORDIC芯片的2.4GHz無線收發(fā)模塊,下面我們就針對(duì)這類產(chǎn)品討論一下測(cè)試的方法。

圖2:常見的2.4GHz無線收發(fā)模塊

針對(duì)這類產(chǎn)品的研發(fā),生產(chǎn)測(cè)試,通常會(huì)需要用到以下的測(cè)量?jī)x器:

直流電源提供直流供電,比如DP832,DP831等;
頻譜分析儀,測(cè)量分析發(fā)射信號(hào)的頻譜,比如DSA832或DSA875;
帶數(shù)字調(diào)制功能的射頻信號(hào)源,模擬產(chǎn)生帶GFSK等調(diào)制的信號(hào),測(cè)試模塊的接收性能,比如DSG3030-IQ或DSG3060-IQ;
四通道數(shù)字示波器,用于測(cè)試SPI總線和基帶信號(hào)等,比如DS/MSO4000系列。

這類產(chǎn)品的收發(fā)性能測(cè)量的設(shè)置如圖3所示,如果這些東西都湊齊了,我們就可以對(duì)這類產(chǎn)品開始從基帶到射頻,從數(shù)字到模擬的微測(cè)了。

圖3:模塊的收發(fā)性能測(cè)量的設(shè)置

射頻模塊與MCU之間是通過SPI總線對(duì)模塊進(jìn)行配置,控制,并傳送發(fā)射或接收的數(shù)據(jù)的,我們可以使用帶SPI總線的觸發(fā)和解碼功能的數(shù)字示波器,比如DS4054或MSO4054對(duì)SPI總線進(jìn)行測(cè)試,以便驗(yàn)證實(shí)際的通信信號(hào)是否正確。SPI規(guī)范所定義的讀寫操作的時(shí)序如下:

圖4:SPI總線的讀操作

圖5:SPI總線的寫操作

我們通過DS4054設(shè)置SPI的觸發(fā)條件,可設(shè)置成觸發(fā)在當(dāng)一特定數(shù)據(jù)出現(xiàn)時(shí),比如:

圖6:在DS4054上設(shè)置SPI總線的觸發(fā)

一旦觸發(fā)條件中所設(shè)置的數(shù)據(jù)出現(xiàn)在SPI總線上時(shí),DS4054就會(huì)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(nèi)容,一旦出現(xiàn)錯(cuò)誤,可以分析是軟件錯(cuò)誤還是信號(hào)失真或干擾導(dǎo)致的錯(cuò)誤。

圖7:DS4054對(duì)SPI總線的解碼設(shè)置和顯示

對(duì)于模塊的射頻發(fā)射性能測(cè)試,通常會(huì)需要使用頻譜分析儀來測(cè)量模塊在發(fā)射單一載波情況下的頻率,功率,2次,3次諧波,如圖7所示。

圖7:2.4GHz射頻模塊載波的諧波測(cè)量

以及在發(fā)送調(diào)制信號(hào)情況下的信道功率,鄰道功率,臨道抑制比等參數(shù),如圖8所示。

圖8:通道功率,鄰道功率測(cè)量

可以測(cè)量在不同功率設(shè)置,不同調(diào)制速率設(shè)置,不同信道設(shè)置等情況下的實(shí)際輸出頻譜情況。圖9 是使用DSA875對(duì)發(fā)射頻率是2.4GHz的GFSK調(diào)制的信號(hào)的測(cè)量,通過標(biāo)尺還可以測(cè)量出兩個(gè)調(diào)制頻點(diǎn)之間的頻差。

圖9:對(duì)發(fā)射頻率是2.4GHz的GFSK調(diào)制的信號(hào)的測(cè)量

針對(duì)模塊的接收性能測(cè)試,可通過使用帶有數(shù)字調(diào)制功能的射頻信號(hào)源DSG3030-IQ來產(chǎn)生模塊所需的測(cè)試信號(hào)。設(shè)置所需的輸出頻率,功率,調(diào)取事先通過配套的上位機(jī)軟件 Ultra IQ station編輯好的包含有被發(fā)射的原始數(shù)據(jù)的能產(chǎn)生GFSK或其他調(diào)制類型的文件,即可產(chǎn)生所需的測(cè)試信號(hào)。

圖10: 通過DSG3030-IQ矢量信號(hào)源產(chǎn)生頻率是2.4GHz的GFSK調(diào)制信號(hào)

為了測(cè)試模塊的接收靈敏度,需要降低DSG3030-IQ的輸出功率,接收的質(zhì)量可通過測(cè)量實(shí)際接收到的基帶數(shù)據(jù)的誤碼情況來體現(xiàn)出來,可以通過編程計(jì)算誤碼率。由于這些芯片都內(nèi)置了CRC 檢錯(cuò)功能,而且開發(fā)工具都提供了收發(fā)模塊的設(shè)置,編輯和控制功能,通過開發(fā)工具可以顯示出接收到的數(shù)據(jù)包情況,通過CRC的值可反應(yīng)出誤碼的情況。

圖11:芯片具有CRC 檢錯(cuò)功能

數(shù)字示波器DS4054具有最大達(dá)140M的存儲(chǔ)深度,通過它可采集并觀察接收端實(shí)際接收到的被解調(diào)了之后的基帶數(shù)據(jù)的具體波形,還可嘗試通過與發(fā)射的數(shù)據(jù)的波形進(jìn)行比較來判斷發(fā)射的和接收到的數(shù)據(jù)是否一致。