功耗分析測試入手，詳談IOT測試解決方案

2017年被視為物聯(lián)網(wǎng)商用元年。

窄帶物聯(lián)網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)正式凍結(jié)，國內(nèi)運(yùn)營商重點(diǎn)布局以及設(shè)備制造商的強(qiáng)力推動(dòng)……自此，物聯(lián)網(wǎng)規(guī)?；逃眠~入了快車道。

然而，與傳統(tǒng)的智能手機(jī)類似，基于NB-IoT技術(shù)的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備在設(shè)計(jì)和生產(chǎn)過程中同樣會(huì)遇到諸多挑戰(zhàn)，有些是類似的，而有些卻不同。

Keysight提供優(yōu)良的測試工具，讓“攻城獅”在實(shí)驗(yàn)室中就能模擬實(shí)際場景并進(jìn)行精確且可重復(fù)的測量，完成一個(gè)又一個(gè)的Mission Impossible：

看起來，物聯(lián)網(wǎng)工程師們要操的心真不少！

工欲利其事，必先利其器！

Keysight全套IoT測試方案

今天讓你一次了解透徹！

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NB-IoT數(shù)據(jù)傳輸（功能）測試

NB-IoT相比于其他非蜂窩的LPWA物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，很大的一個(gè)不同點(diǎn)在于它工作在授權(quán)頻段上，而且所有的廣域網(wǎng)絡(luò)由運(yùn)營商進(jìn)行部署和維護(hù)。

這將使得整個(gè)頻譜環(huán)境更加單純，沒有過多的干擾。而且通過運(yùn)營商的運(yùn)營，整個(gè)通信系統(tǒng)具有運(yùn)營商級的安全性，而終端側(cè)在應(yīng)用時(shí)也更加簡單。為了在實(shí)際部署之前了解NB-IoT終端是否能與基站進(jìn)行正常的通信以及工作，工程師有必要在產(chǎn)品實(shí)際部署之前對其功能進(jìn)行有效的驗(yàn)證。

Keysight的UXM基站模擬器，可以在單個(gè)測試儀器中有效地集成大量測量和仿真功能，并可以進(jìn)行產(chǎn)品的呼叫建立、網(wǎng)絡(luò)設(shè)置以及BLER測試，從而可以通過更加簡單的設(shè)置來加快驗(yàn)證過程。

對于NB-IoT的模塊的覆蓋擴(kuò)展，可以完成包括極端覆蓋下的靈敏度測試，在低信噪比下的同步性能，阻塞及互調(diào)測試等，同時(shí)可以模擬不同環(huán)境下的通信性能，了解產(chǎn)品在各種衰落信道的下的特性。

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功耗和電池壽命測試

由于多數(shù)物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用都由于地理位置或成本原因，存在終端不易更新的問題，因此長效工作是物聯(lián)網(wǎng)模塊推廣的關(guān)鍵，某些場合甚至需要10年以上。因而功耗是物聯(lián)網(wǎng)終端或模塊最基礎(chǔ)也是最重要的指標(biāo)。

>>> 功耗分析測試

NB-IoT的功耗測試，通常分為低功耗功能測試以及低功耗性能測試。

• 對于低功耗功能測試，工程師需要確定自己的產(chǎn)品可以與基站進(jìn)行正常通信，并按照設(shè)定的規(guī)則進(jìn)入到PSM或eDRX等工作模式；

• 對于低功耗性能測試，工程師需要知道設(shè)備在每種工作模式以及切換過程中的實(shí)際功耗，來評估NB-IoT在實(shí)際工作場景下的使用壽命；

因此在進(jìn)行模塊的功耗測試時(shí)，需要一個(gè)完全可控，替代實(shí)際網(wǎng)絡(luò)的設(shè)備，同時(shí)能夠?qū)Ω鞣N狀態(tài)下的功耗進(jìn)行評估和調(diào)試。

Keysight的NB-IoT低功耗測試系統(tǒng)已經(jīng)被多家運(yùn)營商用于低功耗評估和相應(yīng)測試標(biāo)準(zhǔn)的制定。測試實(shí)驗(yàn)室以及一些開放實(shí)驗(yàn)室，也深以為此方案的便捷和全能。

▲Keysight NB-IoT低功耗測試方案

>>> 子電路、芯片、器件的功耗分析方案

不單單是NB-IoT，物聯(lián)網(wǎng)處理芯片 MCU/ECU、BLE/WIFI/Zigee 無線模塊完成一個(gè)數(shù)據(jù)處理或傳輸?shù)臅r(shí)間大概就持續(xù)幾個(gè)ms。在這個(gè)時(shí)間段內(nèi)包括一系列的動(dòng)作和協(xié)議，如從休眠模式喚醒，數(shù)據(jù)預(yù)處理、數(shù)據(jù)裝載、數(shù)據(jù)發(fā)射、數(shù)據(jù)接收、動(dòng)作完成后再次回到低功耗模式等。

對于芯片/模塊研發(fā)設(shè)計(jì)工程師來說，如何快速、精確的獲得每個(gè)動(dòng)作時(shí)功耗——此被稱為“ 功耗特征提取” 。

Keysight的CX3300 電流波形分析儀是業(yè)績首款高帶寬、低功耗分析的儀表，能夠提供低至150pA的電流量測，1GSa/s的采樣率和200MHz的電流測試帶寬，提供14/16bit垂直分辨率以及256M存儲(chǔ)深度，并能夠讓“攻城獅”小伙伴們“一鍵式”提取功耗特征。

>>>真實(shí)工況下的電池容量和電池自放電測量

物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)品宣傳“10年不換電池”，除了要求產(chǎn)品本身的低功耗特性，還要求電池本身自放電非常小。另外，新能源汽車的動(dòng)力電池通常是由數(shù)百、甚至上千個(gè)電芯組合而成。同一個(gè)電池內(nèi)所有電芯有嚴(yán)格的一致性要求，保證新電池內(nèi)電芯的均衡，這包括：容量、電壓、內(nèi)阻。然而，很多電池在一段時(shí)間后，發(fā)現(xiàn)電池新能有非常明顯的下降， 主要的原因是電芯的自放電導(dǎo)致的個(gè)體差異， 打破了初始的“均衡狀態(tài)” 。

所以，電芯的自放電大小以及自放電特性一致無論對物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)品、或者動(dòng)力電池都至關(guān)重要。然而，傳統(tǒng)的電池自放電測試采用長時(shí)間靜置方式得到的開路電壓差與時(shí)間的比值來表征電池自放電快慢。存在測試時(shí)間長，測試結(jié)果無法與電池電量對應(yīng)等缺陷。

Keysight創(chuàng)新性自放電測試方案 BT2191A（研發(fā)）或 BT2152（生產(chǎn)），將自放電測試時(shí)間縮短至數(shù)小時(shí)、 甚至分鐘級別，且可精確測量自放電電流絕對值(uA)。

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NB-IoT射頻測試

功率及元器件一直是射頻和微波系統(tǒng)的重要組成部分。圍繞著這部分的測試和調(diào)試向來是射頻微波攻城獅的專(ku)攻(bi)方(sheng)向(huo)。由于內(nèi)容較多，我們在另一篇文章“有源器件測試知多少”中會(huì)詳細(xì)介紹。

NB-IoT技術(shù)一個(gè)很大的優(yōu)勢就是其目標(biāo)鏈路預(yù)算比傳統(tǒng)的蜂窩技術(shù)高出20dB，這就意味著NB-IoT終端能在傳統(tǒng)蜂窩技術(shù)無法覆蓋的應(yīng)用中大顯身手，如地下停車、智能抄表等。NB-IoT以及eMTC等技術(shù)被稱為基于蜂窩的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，相對之前的2G/3G針對物聯(lián)網(wǎng)的很多特殊場景都進(jìn)行了優(yōu)化。

因此，NB-IoT的覆蓋特性是一個(gè)十分關(guān)鍵的指標(biāo)，最終將影響其在實(shí)際應(yīng)用中的體驗(yàn)。在測試方面，除了前文提到的功能測試之外，還需要對NB-IoT的射頻信號質(zhì)量進(jìn)行相應(yīng)的評估這里包括發(fā)射機(jī)和接收機(jī)。

>>> 發(fā)射機(jī)指標(biāo)評估測試

• UE發(fā)射功率 UE指的是NB-IoT的終端產(chǎn)品，包括NB-IoT模塊以及使用了這些模塊的各種終端。3GPP TS 36.101 V13.9.0 標(biāo)準(zhǔn)定義了UE的最大發(fā)射功率（Class 3 23dBm, Class 5 20dBm）和最小發(fā)射功率(-40dBm)

• UE占用帶寬 按照定義，占用帶寬指的是在分配信道之內(nèi)測量到的99%積分平均功率時(shí)對應(yīng)的信號帶寬（180kHz）。注意測量點(diǎn)的位置是發(fā)射設(shè)備天線連接端口。

• UE發(fā)射ACLR相鄰信道泄漏比 這個(gè)測試用來判定終端產(chǎn)品是否有可能對鄰近 (較高或較低) 信道中的接收機(jī)產(chǎn)生干擾。對于NB-IoT來說，需要比較的是NB-IoT信道和相鄰的GSM和UTRA信道，標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定分別為-20dB和-37dB。我們需要計(jì)算各信道對應(yīng)的信道功率然后做比較。

• UE發(fā)射調(diào)制分析 如果需要進(jìn)一步測量物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)品的射頻性能，我們可以發(fā)射調(diào)制分析，這包括了星座，EVM誤差，不同子載波的 EVM，幀匯總等等。

以上的種種發(fā)射機(jī)指標(biāo)均可以通過Keysight的CXA N9000B系列信號分析儀進(jìn)行分析。測試截圖如下所示：

>>> 發(fā)接收機(jī)指標(biāo)評估測試

• 接收靈敏度，這是非常重要的接收機(jī)測試項(xiàng)目。我們可以用一個(gè)射頻信號源輸出一個(gè)額定功率的物聯(lián)網(wǎng)信號到被測接收機(jī)，查看被測接收機(jī)的誤碼率。NB-IoT對于該項(xiàng)的測試標(biāo)準(zhǔn)要求在≥ 95% throughput 的條件下，接收機(jī)參考靈敏度達(dá)到-108.2dBm

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NB-IoT一致性測試

與傳統(tǒng)的蜂窩終端一樣，作為3GPP家族的一員， NB-IoT或者Cat-M的終端也需要經(jīng)過行業(yè)組織（GCF、PTCRB等）的一致性認(rèn)證測試，而各大運(yùn)營商也通常會(huì)推出自己的補(bǔ)充測試要求。當(dāng)然，還有一些國家級的強(qiáng)制法規(guī)測試，如FCC、CE等，以獲得目標(biāo)市場準(zhǔn)入許可。

通常，一致性測試需要完成RF、 RRM以及協(xié)議的一致性測試。為了提升整體效率，采購對應(yīng)的測試系統(tǒng)，在本地進(jìn)行預(yù)先的測試和認(rèn)證，可提升付費(fèi)測試的通過率，加快產(chǎn)品上市進(jìn)度。

Keysight的T4010S一致性測試系統(tǒng)基于UXM E7515A的強(qiáng)大功能，能同時(shí)覆蓋NB-IoT和Cat-M的驗(yàn)證測試用例。在2017年4月份的官方發(fā)布中，Keysight的T4010S一致性測試系統(tǒng)在所有經(jīng)過驗(yàn)證的GCF射頻NB-IoT測試用例和覆蓋的頻段數(shù)量上，以及從第8版到第13版的射頻整體測試用例和頻段數(shù)量上，都是首選的方案。

– GCF和PTCRB認(rèn)證的RF和RRM測試用例

– 按照覆蓋比例的需求，從單臺儀表到整套系統(tǒng)進(jìn)行靈活配置

– 可覆蓋設(shè)計(jì)認(rèn)證和補(bǔ)充測試用例

– 基于是德科技的測試自動(dòng)化平臺軟件（ TAP），可靈活、快速、可定制地進(jìn)行認(rèn)證測試方案制定

– 支持遠(yuǎn)程系統(tǒng)操控

– 按標(biāo)準(zhǔn)，直觀給出Pass/Fail的測試結(jié)果

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EMI干擾測試

>>> 預(yù)兼容測試

為了提高物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)品的EMI一致性測試通過率，我們要避免產(chǎn)品整體研發(fā)完成后才交付EMI實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行測試，而需要盡早地開始EMI 預(yù)兼容測試，這樣才能在更及時(shí)的觀察到干擾信號，解決電磁干擾問題，優(yōu)化設(shè)計(jì)，提高EMI一致性測試通過率。

>>>干擾和故障排查

如果在預(yù)測試的時(shí)候發(fā)現(xiàn)了EMI故障，我們可以按照使用相應(yīng)的測試工具進(jìn)行排查，這包括了使用頻譜儀和近場探頭掃描特定的頻段，確認(rèn)噪聲源的時(shí)域和頻域表現(xiàn)，根據(jù)測量結(jié)果測算出EMI噪聲的傳播路徑，最終整改EMI噪聲源及其傳播途徑，并驗(yàn)證改進(jìn)后的效果。