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[技術文章]物聯網(IoT)產品的研發測試整體方案
2020-05-28

還在找物聯網整套測試/IoT整套測試方案嗎?從無線通訊到功耗量測一次搞定!

Keysight物聯網(IoT)產品的研發測試整體解決方案


  物聯網和AI概念如此火爆的今天,許多傳統產品的廠商都希望自己的產品能夠和物聯網技術來個激情碰撞,由此切入智慧城市,智慧安防,智慧家居,智慧穿戴,智慧交通,智慧農業等等市場。萬物互聯的需求,首先就需要解決一個最基礎的問題,我的產品首先得能夠連上網,而且最好是無線的。於是大家迅速普及了一個概念:
 

- 物聯網產品:常規產品設計+無線模組 +雲端的軟體平臺
- 各傳統產品的廠商負責自己最熟悉的產品,有專門的無線晶片、甚至是無線模組的供應商,提供穩定無線模組和參考電路設計,快速讓你的產品轉換成為時髦的物聯網產品。

 

聽起來確實簡單易懂,但是實際的開發過程中,會有哪些檻需要跨過呢?


1. 模組廠商提供模組和參考設計



  由模組廠商提供模組和參考設計,讓你繞開不熟悉的無線連接部分的設計,確實聽起來是一個很穩當的策略,但是無線模組其實會給你的電子產品本身帶來一些新的問題。

 

客戶和產品經理關心的 工程師們關心的

1. 無線模組能否正確建立通信

2. 系統工作距離是否符合設計要求

3. 產品功耗,能否用電池供電長期工作?

4. 產品能否滿足規範上市銷售

1-1.無線模組的發射頻率和佔用頻寬是否正確和準確?
1-2.發射的調製信號是否正確,調製品質如何?

2-1.無線模組的附屬電路,例如天線和濾波器是否合理匹配?
2-2.無線模組模組本身發射功率是不是經過正確的校準?
2-3.無線模組在放入產品的外殼之後,天線發射的功率是否被衰減太多?
2-4.加上產品外殼之後,是否能達到設計的接受靈敏度(影響工作距離)?

3-1.在模組的預設工作模式下,終端產品的功耗情況?
3-2.是否可以通過優化模組的發射和接受參數,優化終端產品的功耗情況?

4-1.產品的電磁相容是否符合規範?
4-2.產品是否符合CE/FCC/CCC等不同地區對射頻收發設備的要求?
4-3.是否有帶外的雜散產生?


  在客戶關心的層面,物聯網產品的問題通常是,無線產品 (模組) 能否和手機 (或者平臺的伺服器) 建立起通信,系統工作距離是否符合設計要求,產品能夠在電池供電的情況下長時間工作 (功耗大小) ,產品是否能夠滿足規範在相應國家和地區銷售。除去軟體層面的問題,其實客戶的這些問題都需要在硬體設計方面一一解決。這些問題對物聯網產品的研發人員提出新的要求,也不可能由無線模組供應商全部解決。


2. 得來一套神器


  是德科技Keysight的物聯網(IoT)研發整體測試解決方案,可以對物聯網產品開發過程中可能遇到的所有硬體問題進行測試。

 

問題模組能否正常建立通信?


​  我們建立了這樣一個測試環境, 模擬工程師在研發中的場景。 如果評估板上有介面, 我們可以通過直連的方式; 或者加上一對天線進行耦合, 收發射頻信號。 實際上應該加上一個遮罩盒, 位置固定的, 測到的功率是可以量化的功率。 模組發出的頻率是否正確。

​  建立射頻連接的第一要素是模組的發射頻率。 當我們拿到一個模組後, 首先要測試它的發射頻率的正確性。 如果頻率出現偏差, 就需要進行校準。 頻率偏差的原因可能是硬體故障, 也可能是軟體問題。 有些模組支援幾種頻率, 通過上層的軟體可能設置。 但如果設置錯誤, 就無法建立連接。 對於手機等蜂窩網是基於協議,可以通過基站調整頻率; 但對於物聯網LoRa,FSK,ZigBee等是無法自我調整調整頻率的。模組的生產廠,首先要確保頻率的正確性能。例如我們測試的這個終端模組, 通過頻率儀發現其工作頻率比設計偏差了8.3KHz.因此, 作為設計工程師, 在拿到評估板的時候, 首先要對其發射頻率進行測試和校準。




  在確保頻率正確後, 下一步需要來測量一下佔用通道頻寬。 大部分物聯網制式支持多種頻寬, 有高速率和低速率, 但佔用的頻寬都不同。 所以需要測試他們不同頻寬的。 自組網的設備, 如果佔用頻寬出問題, 是無法連接的。

​  當然, 如果對品質有更高的要求, 則需要對模組進行深入研究, 包括對發射信號進行調製品質分析, 例如星座圖、向量誤差、誤碼率等等。 想N9000B這樣的射頻信號分析儀具備這種高級功能。 它可以通過解調軟體進行功能升級

 

問題系統工作距離是否滿足設計要求?


​  講完頻率測量, 我們進入功率測量, 這非常重要, 會直接影響發射距離。 必須要採用合適的手段來對功率進行測量。如果終端設置的輸出功率和實際輸出功率差了3dbm,就相當於差了1倍, 有效傳輸距離就會大受影響。 這就要求我們設計過程中, 驗證設置的功率和實際功率的偏差, 並對其進行校準。 這個偏差原因很多, 可能是硬體的問題, 也可能軟體問題。 但如果沒有這種精確的測試手段, 是非常不準確的。 這是我們拿到的一個評估板上出現的問題。 我們設置功率分別是、15dBm,5dBm,-5dBm, 結果看到實際的功率有非常大的差距。



  講完發送功率, 我們接著講接收功率和靈敏度, 這是物聯網終端另外一個關鍵指標。 通常情況下, 無線接收設備都有接收功率的指示器, 如手機、wifi等。

  無線物聯網模組的供應商在開發工具中也會內置這個指示器, 但這個指示器非常不准, 很多時候會帶來誤導。 因此, 實際測量是變得非常重要的, 否則無法精測接收的靈敏度。 向量信號源可以精確發射功率,1dB以內的精度, 同時頻率精確設置。 在這個實際測試案例中, 我們不斷減少發射功率至-80dbm, 但奇怪的是, 在模組的上位機看到的功率是-111dbm.如果按照指示器顯示的資料來開發產品, 靈敏度肯定是不夠的。 例如, 在設計過程中, 我們設置IoT模組在-114dBm以下的時候, 通過上層軟體的控制關閉接收機 , 但此時, 實際的信號強度可能是-85dBm。 這樣接收機就可能無法收到小功率的信號, 導致接收靈敏度下降, 實際傳輸距離縮短。

 

系統工作距離是否滿足設計要求?調製制式是否正確


ZigBee/ LoRa/ Wifi/ Bluetooth/ NB-IoT

(Keysight N5166B CXG)

硬體研發工程師:我有個函數發生器,還有台信號源,但是為什麼產生了對應頻率的信號,我的模組就是不能識別呢?
為什麼只有自己模組發射的信號,才能識別呢?

不同的通信制式,有自己獨特的調製方式和通信制式,也就是所謂的“通信實體層的定義”。
普通的信號源和函數發生器,不能產生對應的通信制式

N5166B向量信號源,支援產生目前幾乎所有的物聯網使用的無線通訊技術,可以產生相應的向量調製信號。
同時為了滿足不同晶片廠商的要求,還可以自訂規定通訊制式下,資料序列的內容,以保證無線模組可以識別。這樣配合準確的功率,達到測試儀器的靈敏度的要求。



  ​有向量信號源的才能完成這項測試。 向量信號源能有不同的制式。 在測量靈敏度的時候, 必須加上調製制式。 用類比信號源是無法滿足的, 即使制式是正確的, 資料載荷也可能無法滿足晶片和模組廠家的要求, 讓測試工作無法進行

 
問題❸:產品功耗如何測量?產品功耗如何優化?


▲ 產品功耗如何測量?

功耗怎麼測?通過測試電壓電流,來計算唄。
萬用電表出馬囉!

新問題來了:
1.萬用表能連續長時間記錄電流的變化嗎?
2.萬用表的電流電壓測量量程能自動切換嗎?從幾十uA變化到幾A。
3.能很方便的計算出一段時間的功耗值嗎?
4.能順便提供供電嗎?

以上問題萬用電表無法解決沒關係,這可以!

N6705C直流電源分析儀



  利用這套測試工具, 我們就能對物聯網模組或整個終端進行全面的功耗分析。 這是一共連續11分鐘的計量, 可以看到大幅度變化的電流和這段時間內實際的功耗。
​軟體自動對電流進行積分, 精確算得功耗特性並以此為依據對電池的壽命進行評估



▲ 產品功耗如何優化?



  ​通過這個捕獲到的電流跡線, 我們可以進一步對功耗進行優化。 在這個測試中, 我們發現該模組的節能模式和預設模式是不一樣的。 通常我們外購來的模組, 都會至於預設模式。 但 預設的模式未必是最優的, 需要工程師進一步進行優化。 以獲得更低的綜合功耗。

  ​發射功率直接影響著產品的功耗。 在這個測試中, 我們將相同的資料傳輸, 利用3種不同的發射功率, 明顯看到功耗不同。 在實際使用過程中, 不是所有的模組都需要在最大功率下工作。 如果每次默認都在最大功率下, 功耗太多。 如果根據實際的工作場景, 來選擇合適的發射功率, 就可以達到功耗和連接的優化。

 

合理調整發射速率

基本所有的無線通訊制式都支持多種傳輸速率。
同樣的調製方式,使用比較窄的頻寬工作距離一般會更遠。一般小資料需要長距離傳輸的系統,多選擇窄頻寬低速率的傳輸。

在實際情況中,有時候需要傳輸相對多的資料時,動態切換為更好速率的傳輸速率,也可以減少資料發射的時間,也達到減少功耗的目的。

左圖為例,傳輸同樣數量的資料幀,20K的速率傳輸被1.2K速率傳輸所用的時間少多了。


​  資料的傳輸速率也會影響功耗。 在這個測試中, 我們讓模組發送了同樣的資料幀, 功率一樣。 但速度不一樣。 第一組是採用1.2K速率, 測得整個過程的功耗是314uAH。
之後, 我們將速率提升到200K,傳輸同樣的資料, 耗電18.7uAH,節省90%以上
  
  因此, 如果應用場景允許, 利用更高的傳送速率, 時間更短, 更為省電。 在物聯網中, 如果資料很少, 可以動態選擇速率, 如果資料大, 用高速傳輸更為省電。 結合應用場景, 進行優化, 特別是近距離傳輸, 誤碼率低, 這樣的設計就更為高效。

 

問題❹:是否滿足規範要求?


​在發射頻率旁邊, 很容易出現了頻率的雜散,該如何解決這個問題?


 

總結:

  由Keysight的 CXG N5166B向量信號源CXA N9000B向量信號分析儀 和 N6705C 電源分析儀構成的物聯網產品的研發整體測試方案,可以覆蓋物聯網產品設計中引入的射頻和功耗問題的測試,可以加速您的產品的研發速度,讓您的物聯網產品更快速上市!!
 

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*相關產品介紹:CXG N5166B向量信號源CXA N9000B向量信號分析儀N6705C 電源分析儀
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