从基带到射频的物联网测试（1）

物联网（IoT）已经是持续了一些年的一个热词，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。不管是物联网还是智能家居，除了促进了传感器等技术的发展之外，最关键的一点就是如何实现“联”，更确切地说叫“无线连接”。为了实现适于这些应用所需要的“无线连接”，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种类繁多，层出不穷。搜集，总结了一些当今主要的无线连接技术的应用领域和各自的特点，下面简单概述一下：

 

l  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,这是一种具有经济、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。不同频段的信道数量和信道带宽也各不相同；调制技术也不同：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。

 

l  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,主流厂商都加入了这个阵营，大有难以撼动之势。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。想搞智能家居，看来还得遵循这个行业的“规矩”？

 

l  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。

 

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

 

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，接下来就说说从基带到射频的物联网测试。

 

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：

l  2.4GHz 全球开放ISM 频段免许可证使用

l  工作速率可调，最高工作速率达2Mbps左右

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

l  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

l  内置硬件CRC 检错和点对多点通信地址控制

l  输出功率可程控

l  接收灵敏度高，可达-80dBm 左右，甚至更低电平

l  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：收发芯片内部结构示意图（摘自TI数据手册）

 

 

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。

 

 

图2：常见的2.4GHz无线收发模块

 

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：

 

l  频谱分析仪，测量分析发射信号的频谱，比如DSA832或DSA875;

l  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；

l  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；

l  直流电源提供直流供电，比如DP800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。

 

 

 

图3：模块的收发性能测量的设置

 

这类应用的产品中都少不了射频收发模块。射频收发模块与MCU或FPGA之间通常是采用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：

 

 

图4：SPI总线的读操作

 

 

图5：SPI总线的写操作

 

 

下面我们就通过DS4054对一个产品进行实测一下，首先设置示波器的SPI总线的触发条件，如果你的示波器没有这种专门的触发功能，就费劲了。可设置成触发在当SPI的MOSI或MISO在传送一个特定数据出现时，比如，触发在当传送00010111时触发，如果没有出现，屏幕上无显示，示波器处于“等待触发”的状态，一旦出现，就会出现图6所示的显示：

 

 

图6：在DS4054上设置SPI总线的触发

 

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，还需要知道传送的数据的具体内容。熟悉帧结构的工程师可以自己数，自己“解码”，这是个费神的活儿。还是借助示波器的自动解码功能吧，通过SPI解码功能，可以自动显示出每帧的具体内容，以不同进制的格式显示，直接看结果，就能判断传送的数据是否有错，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。图7就是通过SPI总线的自动解码功能，显示出帧的具体内容。

 

 

图7：DS4054对SPI总线的解码设置和显示

 

 

通过SPI总线，我们可以获取整个产品收发的数据，进而进行分析。