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物联网测试解决方案

2019-10-17 13:46:38 3476

前言

物联网(IoT)是新一代信息技术的重要组成部分，也是信息化时代发展进步的重要阶段。物联网这一概念在最近几年集中大爆发，现已成为当先最热门的技术热点之一。物联网的技术愿景是将数量巨大的智能终端实现联接，物联网技术尤其是物联网应用正影响着我们生活的方方面面，包括家庭自动化设备、娱乐系统、安全和报警系统、智能手表和可穿戴健康监测设备、智能交通设备、废料处理设备、互联汽车、智能家居以及共享单车等等，物联网几乎涉及到每一种工业、消费、医疗及生活应用。
这些物联网设备给设计师、工程师、制造商、运营商等带来了独特的挑战，例如设计智能手表和健身监测仪等设备时，必须满足体积小、性价比高和低功耗的要求。电源和信号路径过于接近时，由于电容和电感会发生耦合，可能导致信号干扰和串扰问题，因此设计师需要使用密集的、高度集成的电路和SoC(片上系统)器件。新硬件必须支持多种无线平台，且保持低功耗，也必须支持多种无线致式，以确保不同设备技术或系统之间的互操作性和互联性。
无论是将新型物联网模块或终端集成到设备中，测试低功耗性能，还是解决设计中碰到的信号传输问题，罗德与施瓦茨公司都提供了卓越的解决方案来克服这些物联网设计面临的种种挑战，帮助您加快开发速度，缩短产品上市时间。

具有物联网功能设备面临的测试挑战

鉴于物联网设备的复杂性，设计开发人员在开发出可用产品之前必须解决诸多问题。如图1所示，设备的各个方面都会带来特定的挑战。在整个开发过程中，工程师需要使用多种测试解决方案进行必要的测量，以保证物联网设备的正常工作。

图1 典型物联网模块结构图和面临的测试挑战

实时功耗测试

由于多数物联网应用都由于地理位置或成本原因，存在模块或终端不易更新的问题，因此长效工作是物联网模块推广的关键，某些场合甚至需要10年以上，因而功耗是物联网终端或模块最基础也是最重要的指标。
R&S RTE示波器最多支持两个 R&S®RT-ZVC 多通道功率探头模块，每个模块具备四个电流通道和四个电压通道。这 16个高精度测量通道可与 R&S®RTE 的高速模拟通道并行使用。关键应用包括对 DUT 在启动、正常工作和睡眠模式下的功耗执行时间相关性测量。
每个 R&S®RT-ZVC 通道使用采样率为 5 Msample/s 的 18 位模数转换器进行采样，直流电压测量精度为 0.1%，电流测量精度为 0.2%。出色的模数转换器分辨率可以提供合适的测量动态范围，可以验证电池供电设备切换睡眠模式时从μA 到 A 的电流消耗转换。超高的直流测量精度非常适用于监控精密嵌入式设备中电源路径上电压的定时和容差。
R&S®RT-ZVC 模块操作完全集成到 R&S®RTE 示波器的图形用户界面 (GUI)。R&S®RT-ZVC 通道可以像标准示波器通道一样进行操作，包括显示位置、垂直缩放以及分析工具（如光标测量和自动化测量）。

无线连通性测试

物联网通过智能感知、识别技术、通信技术等广泛应用于公共网络的融合中。目前常见的物联网技术包括Wifi、Zigbee、蓝牙、RFID、LoRa和NB-IoT等，由于很多物联网技术使用的是公共频段，例如2.4GHz，不同设备间的干扰问题在很大程度上影响了设备正常工作。尤其是随着物联网设备越来越普及，越来越多的设备厂家关心设备发送与接收信号的质量和功率以及对其他设备的影响程度。
罗德与施瓦茨公司推出的物联网无线连通性测试方案，面向产品设计、研发和测试人员，可以轻松帮助客户测试物联网设备的频率精度、发射功率、接收灵敏度、信号质量、占用带宽、信道功率、邻道泄漏比、星座图、EVM误差以及对其他设备的干扰影响等。以上种种指标均可以通过罗德与施瓦茨公司的信号与频谱分析仪FPL1007、矢量信号分析软件VSE、功率测量探头NRP8S、频率计数器HM8135-X、矢量信号发生器SMBV100A等设备完成测试分析。
方案特色：

自动测试软件，轻松完成测试
支持Zigbee、蓝牙、NB-IoT、LoRa等主流物联网技术
单台仪表即可完成测试，不需要额外设备
测试结果通过图形化和详细数据表格显示
基于罗德与施瓦茨新型信号与频谱分析仪FPL1007实现测试

>>>信号与频谱分析仪

图2 信号与频谱分析仪FPL1003或FPL1007

罗德与施瓦茨公司的信号与频谱分析仪FPL1003或FPL1007可以在时域、频域和调制域对信号及物联网发射设备进行分析和测试。时域可以观测信号周期、幅度等特性，尤其是针对脉冲型信号；频域可以观测信号的频谱、功率、谐波等特性；调制域可以分析信号的调制质量，测试EVM等参数。
信号与频谱分析仪FPL1003或FPL1007具有紧凑轻便的设计、优异的射频性能、友好的人机交互界面，使测量变得简单快捷。FPL1003或FPL1007的主要参数如下：

频率范围5kHz至3GHz或7.5GHz；
RBW分辨率带宽1Hz至10MHz；
I/Q信号解调分析带宽40MHz；
SSB单边带相位噪声-108dBc/Hz(载频1GHz，10kHz频偏)；
本底噪声电平-167dBm/Hz(频率3GHz，前置放大器打开)；
测量不确定度<0.5dB；
支持多通道、多窗口测试，同时执行多种测量任务；
10.1英寸多点触控电容屏，1280*800像素，选配电池供电支持移动式应用；
测试功能：模拟调制解调分析、数字调制解调分析、物联网典型信号分(Zigbee、Bluetooth、NB-IoT)、功率测量、噪声系数及增益测量。

>>>VSE矢量信号分析软件

图3 VSE矢量信号分析软件平台

VSE矢量信号分析仪软件是罗德与施瓦茨公司最新推出的一体化分析软件平台，可以支持各种模拟信号、数字调试信号分析，可以安装运行在信号与频谱分析仪主机上运行。VSE矢量信号分析的主要参数如下：

脉冲信号测量；
模拟信号分析；
数字调制信号分析；
各种通信标准制式信号分析；
NB-IoT信号分析。

>>>功率测量探头NRP8S
罗德与施瓦茨功率测量探头NRP8S，是通过数字接口与基础单元或信号与频谱分析仪通信的智能型测量设备，能够满足物联网设备，例如发射机和放大器的功率测试。功率测量探头NRP8S的主要参数如下：

图4 功率探头NRP8S与功率计主机NRP2

频率范围10MHz至8GHz；
功率测量范围-70dBm至+23dBm；
快速准确测量CW信号及调制信号的功率。

>>>频率计数器HM8123-X

图5 频率计数器HM8123-X

频率计数器HM8123-X能够满足物联网设备的频率精度测试。频率计数器HM8123-X的主要参数如下：

频率范围DC至3GHz；
输入A/B(BNC)：DC至200MHz；

输入C(SMA)：100MHz至3GHz；

输入阻抗50Ω或1MΩ可切换；
10位分辨率。

>>>矢量信号发生器SMBV100A
罗德与施瓦茨公司的矢量信号发生器SMBV100A，能够为物联网创建各种定制的和标准的模拟和数字激励信号，包括各种IEEE802.11标准、Bluetooth、Zigbee等制式。矢量信号发生器SMBV100A的主要参数如下：

频率范围：9kHz(1MHz)至3.2GHz/6GHz；
模拟调制输出：AM、FM、ψM;
数字通信标准信号输出：LTE、WLAN等；
定制的I/Q数字调制信号输出；
集成的ARB功能可以重放预先生成的波形。

电源完整性分析

随着用户对设计小型化、多功能化的需求增加，设计人员需要创造更高密度、更快速度、更低功耗以及外形紧凑的电路设计。迹线间的距离越来越小，电源电源不断降低，因此电源完整性问题变得愈加常见。
电源完整性用于分析电力是如何有效地转化并在系统内完成从电源到负载的传送。通过驱动低功率电子产品，直流电源的电源和容限发射降低，有的降低±5%到±1%。在输出电源上的纹波、噪声和瞬态会对时钟和数字数据的精度产生不利影响。因此，设计人员需要利用电源完整性解决方案，高精度地测量这些低直流电压。
罗德与施瓦茨公司的RTM3000系列10位硬件ADC和示波器探头(包括：电源完整性探头RT-ZPR20，高灵敏度电流探头RT-ZC15B)，提供给您最佳的电源完整性测试解决方案。

图6 10位硬件ADC示波器RTM3000

电源完整性探头RT-ZPR20，可以检测到电源路径上微小的偶发失真，以及微小的交流电源噪声，RT-ZRP20还支持高达±60V的偏置；
RT-ZC15B高灵敏度电流探头，可以支持µA级的电流测量。

10位硬件ADC示波器RTM3000和探头的可以组合为理想的电源完整性分析解决方案，适用于通常使用电池供电且外形紧凑的低功率物联网设备。

信号完整性分析

在电子设备中移动信号需要使用电线或封装结构，而信号完整性用于测量这些结构的电性能。当今高速数字设计中常见的信号完整性问题包括反射、损耗、串扰、失真和电源噪声，这些问题会降低系统的整体性能。在这两个测量中需要使用时域测量和频域矢量网络测量技术，可以帮助设计人员充满信心地诊断和改正信号完整性问题。
罗德与施瓦茨公司的矢量网络分析仪ZNL时域测量选件，是嵌入在ZNL网络分析仪中的应用软件，是理想的信号完整性分析工具，ZNL矢量网络分析仪可以同时提供时域测量和频域S参数实时测量。

图7 带时域测量选件的矢量网络分析仪ZNL

EMI干扰测试

>>>预兼容测试
满足电磁干扰(EMI)兼容性规定是加快物联网模块或终端产品上市速度的关键，在最后设计阶段的失败意味着需要进行代价高昂的重新设计，并且耽误产品的上市时间。在正式兼容性测试之前执行EMI预兼容测试，避免因兼容性测试失败而造成的重测成本浪费，这样才能更及时的观察到干扰信号，解决电磁干扰EMI问题，优化设计，提高EMI兼容性测试通过率。罗德与施瓦茨公司为您提供出色的电磁干扰EMI测量解决方案，适用于产品开发周期的各个阶段。
为避免因为没能通过兼容性测试而耽误宝贵的时间，在EMI测量接收机上运行的罗德与施瓦茨EMI测量应用软件ES-SCAN，使您可以对自己的设计执行预兼容测量和诊断评测。ES-SCAN结合EMI测量接收机是一种低成本的预兼容测试解决方案。

图8 传导EMI预测试(电源线)

图9 传导EMI预测试(信号线)

图10 辐射EMI预测试

>>>EMI干扰定位分析
如果在电磁兼容干扰预测试的时候发现了EMI故障，可以使用相应的测试工具进行干扰定位排查，包括使用EMI测量接收机或高灵敏度示波器和近场探头扫描特定的频段，确认干扰源的时域和频域特征，根据测量结果测算出EMI噪声的传播路径，最终整改EMI噪声源及其传播途径，并验证改进后的结果。

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图11 EMI故障点定位分析

物联网测试设备配置列表

名称	型号	描述
信号与频谱分析仪	FPL1003/FPL1007	5kHz至3GHz/7.5GHz，RBW分辨率带宽1Hz至10MHz，信号分析带宽40MHz，内置前置放大器
矢量信号分析软件	VSE	矢量信号分析
功率计主机	NRP2	双端口功率计主机
功率探头连接线	NRP-ZK6	功率探头连接线
功率探头	NRP8S	10MHz-8GHz
频率计/计数器	HM8123-X	DC-3GHz
矢量信号发生器3.2GHz	SMBV100A	9kHz至3.2GHz，矢量信号输出
矢量信号发生器6GHz	SMBV100A	9kHz至6GHz
EMI测量接收机	ESL3	9kHz至3GHz
EMI测量接收机	ESL6	9kHz至6GHz
EMI测试软件	ES-SCAN	EMI测试软件
脉冲限幅器	ESH3-Z2	脉冲限幅器，用于保护EMI测量接收机
人工电源网络	ENV216	人工电源网络，用于传导EMI干扰测试
辐射测量天线	HF907	850MHz-18GHz
近场探头套件	HZ-15/HZ-16	电场、磁场近场探头套件，30MHz至3GHz