關于從基帶到射頻的物聯(lián)網(wǎng)測試的分析和介紹

物聯(lián)網(wǎng)（IoT）是近些年來的一個熱詞，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?shù)臒o線網(wǎng)絡協(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(guī)定,該規(guī)范是一種經(jīng)濟、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。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，2.4GHz頻段采用的是OQPSK調(diào)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(jù)了強勢地位,它具有低成本、低功耗、高可靠、適于網(wǎng)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(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的無線國際標準。通過采集周圍環(huán)境產(chǎn)生的能量，比如機械能，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)。與同類技術相比，功耗最低，傳輸距離最遠，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，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(yè)控制等領域，還有Wi-SUN, WirelessHART等標準。

IPv6/6Lowpan具有許多優(yōu)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(xié)議的若干層都具有不同的規(guī)定。高層的測試可以通過相關的協(xié)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(diào)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(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)被廣泛地應用在這些領域，比如：無線報警，無線抄表，安全系統(tǒng)，工業(yè)監(jiān)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(lián)網(wǎng)的應用中。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，闡述一下針對這類產(chǎn)品從基帶到射頻的測試方法。

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等構成各種滿足不同應用的產(chǎn)品，它的主要特點如下：

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2Mbps左右

采用FSK,MSK,GFSK等調(diào)制，抗干擾能力強，特別適合工業(yè)控制場合

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

內(nèi)置硬件CRC 檢錯和點對多點通信地址控制

輸出功率可程控

接收靈敏度高，可達-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)部結構示意圖如圖1所示：

圖1：2.4GHz射頻收發(fā)芯片內(nèi)部結構示意圖

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

圖2：常見的2.4GHz無線收發(fā)模塊

針對這類產(chǎn)品的研發(fā)，生產(chǎn)測試，通常會需要用到以下的測量儀器：

直流電源提供直流供電，比如DP832，DP831等；

頻譜分析儀，測量分析發(fā)射信號的頻譜，比如DSA832或DSA875;

帶數(shù)字調(diào)制功能的射頻信號源，模擬產(chǎn)生帶GFSK等調(diào)制的信號，測試模塊的接收性能，比如DSG3030-IQ或DSG3060-IQ；

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

這類產(chǎn)品的收發(fā)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(chǎn)品開始從基帶到射頻，從數(shù)字到模擬的微測了。

圖3：模塊的收發(fā)性能測量的設置

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(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SPI總線進行測試，以便驗證實際的通信信號是否正確。SPI規(guī)范所定義的讀寫操作的時序如下：

圖4：SPI總線的讀操作

圖5：SPI總線的寫操作

我們通過DS4054設置SPI的觸發(fā)條件，可設置成觸發(fā)在當一特定數(shù)據(jù)出現(xiàn)時，比如：

圖6：在DS4054上設置SPI總線的觸發(fā)

一旦觸發(fā)條件中所設置的數(shù)據(jù)出現(xiàn)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(nèi)容，一旦出現(xiàn)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。

圖7：DS4054對SPI總線的解碼設置和顯示

對于模塊的射頻發(fā)射性能測試，通常會需要使用頻譜分析儀來測量模塊在發(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量

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

圖8：通道功率，鄰道功率測量

可以測量在不同功率設置，不同調(diào)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(fā)射頻率是2.4GHz的GFSK調(diào)制的信號的測量，通過標尺還可以測量出兩個調(diào)制頻點之間的頻差。

圖9：對發(fā)射頻率是2.4GHz的GFSK調(diào)制的信號的測量

針對模塊的接收性能測試，可通過使用帶有數(shù)字調(diào)制功能的射頻信號源DSG3030-IQ來產(chǎn)生模塊所需的測試信號。設置所需的輸出頻率，功率，調(diào)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(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)生所需的測試信號。

圖10： 通過DSG3030-IQ矢量信號源產(chǎn)生頻率是2.4GHz的GFSK調(diào)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(shù)據(jù)的誤碼情況來體現(xiàn)出來，可以通過編程計算誤碼率。由于這些芯片都內(nèi)置了CRC 檢錯功能，而且開發(fā)工具都提供了收發(fā)模塊的設置，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的值可反應出誤碼的情況。

圖11：芯片具有CRC 檢錯功能

數(shù)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(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)的波形進行比較來判斷發(fā)射的和接收到的數(shù)據(jù)是否一致。

圖12：通過DS4054采集并觀察接收到的實際基帶信號