電子發(fā)燒友App
光有智能小玩意已經(jīng)不夠了。任何小玩意如果想吸引消費(fèi)者注意，不僅要智能化，還要聯(lián)網(wǎng)化。聯(lián)網(wǎng)化意味著設(shè)計(jì)中還必須有無線功能。無線技術(shù)帶來了許多新的設(shè)計(jì)可能，并開始出現(xiàn)在某些不尋常的地方。下面列舉了一些比較有趣的實(shí)例：
· 初創(chuàng)公司Velo Labs正在開發(fā)一種采用太陽能提供動(dòng)力的自行車鎖，它可以掛到Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)上，在車鎖的動(dòng)作檢測(cè)器感應(yīng)到自行車可能被盜時(shí)，會(huì)向自行車主的智能手機(jī)發(fā)送警報(bào)。
· Oral-B的一種新型智能電動(dòng)牙刷采用無線技術(shù)，捕獲與用戶刷牙習(xí)慣有關(guān)的信息，其可望成為牙科記錄的一部分。這到底算不算好事還有待消費(fèi)者來評(píng)判。
當(dāng)然，其意義在于在貨架上、在工作中或有待想象的數(shù)千種產(chǎn)品將采用某種低功率無線功能，滿足消費(fèi)者需求，或者可能會(huì)成為所謂的物聯(lián)網(wǎng)的一部分。
對(duì)聯(lián)網(wǎng)的所有這些需求極具挑戰(zhàn)性的部分是產(chǎn)品制造商必需學(xué)習(xí)怎樣在產(chǎn)品中增加無線功能，但許多制造商幾乎沒有RF經(jīng)驗(yàn)。最常用、也是最實(shí)用的方法是在設(shè)計(jì)中直接采用預(yù)封裝的WLAN模塊。這些模塊的市場(chǎng)正以兩位數(shù)的速度強(qiáng)勁增長，而且預(yù)計(jì)還會(huì)持續(xù)增長，也就不足為奇了。
盡管使用無線模塊消除了許多技術(shù)問題，如圖1所示，但還需要做許多決策。最關(guān)鍵、也是最棘手的任務(wù)是確保最終產(chǎn)品滿足復(fù)雜的FCC和國際法規(guī)要求。一致性測(cè)試是窮盡式測(cè)試，耗費(fèi)時(shí)間長，在產(chǎn)品開發(fā)的這個(gè)階段測(cè)試失敗可能會(huì)導(dǎo)致昂貴的重新設(shè)計(jì)及耽誤產(chǎn)品推出。
正如流程圖第6步所顯示的那樣，法規(guī)預(yù)一致性檢查對(duì)避免這些最壞情況場(chǎng)景至關(guān)重要。幸運(yùn)的是，可以在內(nèi)部使用經(jīng)濟(jì)的、熟悉的測(cè)試設(shè)備，執(zhí)行預(yù)一致性測(cè)試，確保采用無線技術(shù)的產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)很高的第一次就通過一致性測(cè)試的概率。其目標(biāo)是提前發(fā)現(xiàn)潛在問題，降低一致性測(cè)試階段高昂的測(cè)試失敗風(fēng)險(xiǎn)。
圖1. 使用無線模塊降低了設(shè)計(jì)復(fù)雜度，但也涉及許多重要步驟，最關(guān)鍵的是要確保在設(shè)計(jì)階段通過法規(guī)一致性測(cè)試。
從第一次無線傳輸開始，頻譜輻射就一直是設(shè)計(jì)工程師關(guān)注的課題。世界各地的法規(guī)機(jī)構(gòu)都設(shè)置了輻射水平極限，規(guī)定了一致性測(cè)試的測(cè)量方法。正式認(rèn)證必須在產(chǎn)品可以銷售前完成，必須在獨(dú)立實(shí)驗(yàn)室完成，每天成本在5，000 - 10，000美元，而且還沒包括差旅費(fèi)和其他開支。
使用市面上的模塊，即使是已經(jīng)自行認(rèn)證的模塊，也不一定能使獲得認(rèn)證的工作變得大大簡便。這是因?yàn)檫€必須測(cè)試和質(zhì)檢完全組裝好的成品。PC電路板布線、天線設(shè)計(jì)和方向或系統(tǒng)交互等設(shè)計(jì)問題可能會(huì)導(dǎo)致產(chǎn)品不能滿足認(rèn)證要求。
通過利用儀器，可以輕松得多地在設(shè)計(jì)階段辨別這些問題。這些儀器不僅讓設(shè)計(jì)人員在自己的測(cè)試臺(tái)上執(zhí)行全系列預(yù)一致性測(cè)試，還幫助設(shè)計(jì)人員識(shí)別可能導(dǎo)致產(chǎn)品未能通過正式測(cè)試的問題的根本原因。
預(yù)一致性測(cè)試與全面一致性
在無線模塊系統(tǒng)集成后將進(jìn)行預(yù)一致性測(cè)試，以確定設(shè)計(jì)中的任何問題區(qū)域。預(yù)一致性測(cè)試不一定需要與每一項(xiàng)國際標(biāo)準(zhǔn)對(duì)應(yīng)，因?yàn)槟繕?biāo)只是發(fā)現(xiàn)潛在問題，減少在昂貴的一致性測(cè)試階段測(cè)試失敗的風(fēng)險(xiǎn)。使用的設(shè)備也不一定包括標(biāo)準(zhǔn)要求的每種功能和規(guī)范，如果測(cè)試結(jié)果運(yùn)用足夠的余量，其精度和動(dòng)態(tài)范圍可能會(huì)低于滿足標(biāo)準(zhǔn)的接收機(jī)。
擁有通用濾波器和檢測(cè)器的通用頻譜分析儀是預(yù)認(rèn)證和EMI放射測(cè)試的很好的入手點(diǎn)。但是，在進(jìn)行更完善的分析時(shí)，最好使用WLAN特定測(cè)試和認(rèn)證解決方案，支持IEEE 802.11標(biāo)準(zhǔn)要求的全系列測(cè)試和分析。特別是在基于混合域示波器、并與矢量信號(hào)分析軟件相結(jié)合時(shí)，這樣的解決方案允許設(shè)計(jì)人員把時(shí)域中的事件與頻域分析關(guān)聯(lián)起來，快速識(shí)別可能導(dǎo)致產(chǎn)品認(rèn)證失敗的問題。例如，時(shí)域中只在喚醒過程中發(fā)生的毛刺可能會(huì)在頻域中導(dǎo)致帶外輻射。
一個(gè)常見的問題通常涉及怎樣比較全面一致性測(cè)試使用的準(zhǔn)峰值（QP）檢測(cè)器與預(yù)一致性測(cè)試一般使用的比較簡單的峰值檢測(cè)器。實(shí)際上，在開始測(cè)試時(shí)，外部實(shí)驗(yàn)室一般先使用簡單的峰值檢測(cè)器進(jìn)行掃描，找到超過或接近規(guī)定極限的問題區(qū)域。對(duì)接近或超過極限的信號(hào)，他們將執(zhí)行準(zhǔn)峰值測(cè)量。
準(zhǔn)峰值檢測(cè)器是EMI測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的一種特殊的檢測(cè)方法。準(zhǔn)峰值檢測(cè)器用來檢測(cè)信號(hào)包絡(luò)加權(quán)后的峰值（準(zhǔn)峰值）。它根據(jù)信號(hào)持續(xù)時(shí)間和重復(fù)率對(duì)信號(hào)加權(quán)。信號(hào)發(fā)生頻次越高，與偶發(fā)脈沖相比，準(zhǔn)峰值測(cè)量數(shù)據(jù)越高。
圖2：這個(gè)實(shí)例說明了峰值和準(zhǔn)峰值檢測(cè)對(duì)8 μs脈寬和10 ms重復(fù)速率的信號(hào)的影響。準(zhǔn)峰值比峰值低10.1 dB。
一個(gè)良好的法則是準(zhǔn)峰值將一直小于等于峰值檢測(cè)，永遠(yuǎn)不會(huì)大于峰值檢測(cè)。因此，您可以使用峰值檢測(cè)，進(jìn)行EMI調(diào)試和診斷。您不需要精確到EMI部門或?qū)嶒?yàn)室掃描水平，因?yàn)樗鼈兌际窍鄬?duì)的。如果您的實(shí)驗(yàn)室報(bào)告使用準(zhǔn)峰值檢測(cè)器顯示設(shè)計(jì)超出3 dB，峰值檢測(cè)顯示超出6 dB，那么您需要實(shí)現(xiàn)補(bǔ)丁，把信號(hào)降低-3 dB或以上。
本文選自電子發(fā)燒友網(wǎng)8月《無線通信特刊》Change The World欄目，轉(zhuǎn)載請(qǐng)注明出處！
預(yù)一致性探測(cè)技術(shù)
全面EMI一致性測(cè)試實(shí)驗(yàn)室中使用EMI接收機(jī)和精心校準(zhǔn)的天線，在3米或10米距離上測(cè)試電子器件。換句話說，測(cè)量在遠(yuǎn)場(chǎng)中完成。在本質(zhì)上，遠(yuǎn)場(chǎng)測(cè)試可以準(zhǔn)確地區(qū)分產(chǎn)品整體上是通過測(cè)試還是測(cè)試失敗，但不能指出問題的來源。在只使用遠(yuǎn)場(chǎng)測(cè)試時(shí)，用戶不能把問題隔離到具體元器件或位置，比如在打開金屬機(jī)箱時(shí)“泄漏”出太多的RF能量，也不能幫助識(shí)別放射出太多RF能量的電纜。近場(chǎng)測(cè)試是定位此類輻射來源的唯一途徑，一般使用頻譜分析儀和近場(chǎng)探頭執(zhí)行近場(chǎng)測(cè)試。
圖3所示的EMI近場(chǎng)探頭是一種電磁撿拾裝置，用來捕獲關(guān)心區(qū)域的電場(chǎng)（E）或磁場(chǎng)（H），與頻譜分析儀一起使用。制造商提供了成套探頭，在尺寸、靈敏度和頻率范圍之間實(shí)現(xiàn)最佳均衡，您可能需要工具箱中所有尺寸，才能解決問題。選擇磁場(chǎng)探頭還是電場(chǎng)探頭可能取決于信號(hào)在設(shè)計(jì)中的位置、信號(hào)源特點(diǎn)（電壓或電流）等等。例如，存在金屬屏蔽可能會(huì)抑制電場(chǎng)，在應(yīng)用中必需使用磁場(chǎng)探頭。必須使用近場(chǎng)探頭撿拾被測(cè)器件附近的信號(hào)。
圖3：近場(chǎng)探頭用來發(fā)現(xiàn)非預(yù)計(jì)的RF輻射的位置。
電壓探頭與示波器和頻譜分析儀一起使用，直接連接到關(guān)心的電路上。傳統(tǒng)示波器探頭可以與頻譜分析儀一起使用，視探頭的阻抗，會(huì)導(dǎo)致靈敏度損失。例如，把一只500歐姆Z0示波器探頭連接到一臺(tái)50歐姆頻譜分析儀上，會(huì)導(dǎo)致10:1分路器及到頻譜分析儀輸入的信號(hào)下降20dB。但是，在直接連接電路時(shí)，信號(hào)一般很大，即使信號(hào)電平下降，頻譜分析儀仍能看得見。此外，頻譜分析儀的噪底和靈敏度一般要比示波器好幾個(gè)量級(jí)，因此探頭損耗很少會(huì)成為限制因素。電壓探頭必須直接連接到電路上，才能撿拾信號(hào)。
預(yù)一致性測(cè)試的三個(gè)基本步驟
對(duì)預(yù)一致性測(cè)試，頻域分成3個(gè)子域或區(qū)域，如圖4所示。表1顯示了北美和歐洲的2.4 GHz頻段WLAN一致性測(cè)試要求。每個(gè)子域都有單獨(dú)的法規(guī)，在產(chǎn)品推向市場(chǎng)前，無線設(shè)備實(shí)現(xiàn)者需要成功完成“3步頻譜預(yù)一致性測(cè)試”。這些步驟是：
· 帶內(nèi)（信道）域：檢查發(fā)射功率輸出、發(fā)送帶寬和功率頻譜密度、等等。
· 帶外域：檢查頻譜輻射或鄰道功率比（ACPR）。模板通常由IEEE等通信標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定。
· 雜散域：檢查雜散輻射水平。
圖4. 對(duì)預(yù)一致性測(cè)試，頻域分成三個(gè)子域。
發(fā)送功率測(cè)量
在規(guī)劃或更新無線設(shè)備安裝時(shí)，通常必需確定無線設(shè)備能否實(shí)現(xiàn)一定的傳輸距離。但是，這些信息不會(huì)打印在無線設(shè)備和天線的技術(shù)數(shù)據(jù)中?？梢栽试S的最大輸出功率根據(jù)地區(qū)法規(guī)機(jī)構(gòu)規(guī)定的方法測(cè)量。因此，您需要檢查標(biāo)準(zhǔn)和法規(guī)，確保設(shè)備能夠通過一致性測(cè)試。圖5說明了使用矢量信號(hào)分析軟件及頻譜分析儀執(zhí)行這一測(cè)試的步驟。
必需指出，某些WLAN信號(hào)超出了分析儀能夠執(zhí)行發(fā)送功率測(cè)量的帶寬。例如，802.11ac信號(hào)要求至少160 MHz的帶寬，才能執(zhí)行突發(fā)功率測(cè)試。
圖5：這個(gè)實(shí)例說明了執(zhí)行IEEE 802.11g 發(fā)送功率測(cè)量的步驟。
功率頻譜密度測(cè)量
功率頻譜密度（PSD）是每個(gè)單位頻率內(nèi)的功率。例如，F(xiàn)CC要求在連續(xù)傳輸?shù)娜魏螘r(shí)間間隔內(nèi)，在任何3 kHz頻段中，從故意輻射體傳導(dǎo)到天線的功率頻譜密度不得大于8 dBm，您需要把頻譜分析儀中心頻率設(shè)置成通道中心頻率，把RBW設(shè)置成3 kHz，使用峰值檢測(cè)器和標(biāo)記確定最大幅度電平是否大于8 dBm。
圖6： IEEE 802.11g 功率頻譜密度測(cè)量
占用帶寬測(cè)量
占用帶寬是衡量包含指定百分比的總信號(hào)功率的頻段帶寬的指標(biāo)。占用帶寬（OBW）測(cè)量信號(hào)在分配信道內(nèi)占用多少帶寬。一般來說，OBW用分配信道帶寬內(nèi)總功率的百分比指定，如99%或X dB以下帶寬。在圖6所示的例子中，F(xiàn)CC要求最低6dB帶寬至少應(yīng)為500 kHz，因此您需要進(jìn)行6 dB以下占用帶寬測(cè)量。
圖7： IEEE 802.11g 占用帶寬測(cè)量
頻譜輻射模板測(cè)量
一旦設(shè)備的發(fā)射功率輸出滿足帶內(nèi)合規(guī)要求，您可以轉(zhuǎn)向測(cè)試帶外輻射。頻譜模板是以數(shù)學(xué)方式定義的、應(yīng)用到無線傳輸電平的一套線。這個(gè)模板提供了允許信號(hào)功率分布到通道中的極限。它為標(biāo)準(zhǔn)的每個(gè)變通方案都規(guī)定了發(fā)射頻譜模板。一般來說，頻譜輻射模板（或帶外）域從必需帶寬（分配的通道帶寬）0.5倍的頻率偏置開始，一直擴(kuò)展到必需帶寬的2.5倍。例如，20 MHz帶寬802.11g信號(hào)的IEEE輻射模板域是距中心頻率±10 MHz到±50 MHz頻率偏置。圖7顯示了這一測(cè)量流程。
圖8： IEEE 802.11g頻譜輻射模板測(cè)量流程。
雜散輻射測(cè)量
雜散輻射是非故意產(chǎn)生或發(fā)送的任何無線頻率，特別是在正常情況下產(chǎn)生其他頻率的設(shè)備中。發(fā)射機(jī)分配信道以外的諧波或其他信號(hào)將被視為雜散輻射。許多本地法規(guī)標(biāo)準(zhǔn)，如美國的FCC，提供了一定的不想要的輻射域的雜散輻射功率的極限（可以允許的值）。在圖8所示的實(shí)例中，極限線從這個(gè)保存的設(shè)置文件中加載，對(duì)標(biāo)準(zhǔn)中確立的每個(gè)頻率區(qū)域有相應(yīng)的設(shè)置 。
圖9： IEEE 802.11g 雜散測(cè)量流程。
克服RF集成復(fù)雜性
許多制造商認(rèn)為，他們只需要購買一個(gè)無線模塊，然后只需很少的工作就可以使產(chǎn)品獲得認(rèn)證，準(zhǔn)備上市。然而即使是相當(dāng)簡單的集成工作，仍有許多潛在的問題領(lǐng)域，有許多必須滿足的復(fù)雜的法規(guī)要求。考慮到前往一致性認(rèn)證機(jī)構(gòu)的時(shí)間成本，預(yù)一致性測(cè)試成為必須。
然而，檢查所有標(biāo)準(zhǔn)和法規(guī)不僅十分困難，而且耗時(shí)很長。即使已經(jīng)收集了所有法規(guī)信息，但您仍需熟悉測(cè)試設(shè)備，確保正確設(shè)置所有測(cè)量。事實(shí)上，預(yù)一致性測(cè)試程序可能會(huì)在頻譜分析儀中增加幾百次操作。
為了簡化這一過程，測(cè)試測(cè)量供應(yīng)商已經(jīng)著手提供分步指引或向?qū)?，使用混合域示波器或頻譜分析儀為WLAN器件執(zhí)行預(yù)一致性測(cè)量。此外，診斷不限于預(yù)一致性測(cè)試。這些工具還支持全面診斷和調(diào)試，確保RF系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)規(guī)定的性能水平，而不會(huì)被集成系統(tǒng)的其他部分劣化。
關(guān)于作者
Xiao Li現(xiàn)為泰克公司產(chǎn)品線應(yīng)用工程師，其重點(diǎn)是商用無線、頻譜管理和RF教育應(yīng)用。他于2012年加入泰克。他畢業(yè)于沈陽理工大學(xué)，獲得理學(xué)士學(xué)位；后畢業(yè)于美國俄勒岡波特蘭州立大學(xué)，獲得理學(xué)碩士學(xué)位和博士學(xué)位。他還曾作為波特蘭州立大學(xué)的兼職教授。他的科研興趣包括無線通信和信號(hào)處理。
工商網(wǎng)監(jiān)
評(píng)論