新型射頻儀器助力物聯(lián)網(wǎng)測試分析和產(chǎn)品設計

最近工信部發(fā)布了物聯(lián)網(wǎng)十二五規劃，預示物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)作為新興戰略產(chǎn)業(yè)將會(huì )獲得迅速發(fā)展；在物聯(lián)網(wǎng)涉及的關(guān)鍵技術(shù)中，無(wú)線(xiàn)技術(shù)是其中一個(gè)非常重要的技術(shù)領(lǐng)域，無(wú)論是在傳感層各種傳感器之間的組網(wǎng)和通訊或者網(wǎng)絡(luò )層各種網(wǎng)關(guān)，路由器之間的通訊，都涉及到各種無(wú)線(xiàn)通訊的技術(shù)的方方面面。

我們知道，物聯(lián)網(wǎng)使用的無(wú)線(xiàn)技術(shù)涉及到非常高的通訊頻率和比較寬闊的頻譜范圍，例如在2.4GHz上運行的標準化無(wú)線(xiàn)設備和技術(shù)（如藍牙4.0、ZigBeePRO、WiFi），這個(gè)頻率幾乎可以方便的用于世界上任何地方。然而，為了改進(jìn)大樓穿透力和傳輸距離、降低各種干擾、減少無(wú)線(xiàn)通訊中的功耗，設計開(kāi)發(fā)的工程師可以考慮使用各國規定的其它頻段（例如900MHZ，779MHZ，433MHZ，315MHZ等等）。

當我們的工程師和設計人員，設計物聯(lián)網(wǎng)相關(guān)產(chǎn)品的時(shí)候，我們原來(lái)熟悉和使用的一些儀表例如普通示波器，數字信號發(fā)生器和函數發(fā)生器，萬(wàn)用表等，由于基本上是低頻和時(shí)域的儀器，在面對幾百著(zhù)到數千兆高頻微波射頻信號時(shí)，很難發(fā)揮作用，需要改用高頻和頻域的高級儀器，例如射頻頻譜儀，射頻信號發(fā)生器，射頻網(wǎng)絡(luò )分析儀等，這些儀器目前市面上很多，但是共同的特點(diǎn)是非常昂貴，動(dòng)輒每臺幾萬(wàn)，甚至每臺高達幾十萬(wàn)元。

另外一方面，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)中，除了涉及比較高的頻率和比較寬闊的頻譜范圍，還涉及到各種不同的通訊協(xié)議棧，（包括ZIGBEE，IEEE802.15.4，藍牙，WIFI等等不同通訊協(xié)議）這些協(xié)議棧根據不同的通訊標準，由軟件實(shí)現，最終實(shí)現不同網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)，路由器，網(wǎng)關(guān)之間的通訊。對于無(wú)線(xiàn)通訊而言，大量的通訊數據是以不同的數據包，在空中傳輸，這就要求有一種特殊的高頻儀器來(lái)采集和分析這些在空中傳輸，但是我們看不見(jiàn)，摸不著(zhù)的數據包裝，才能有效的實(shí)現對通訊協(xié)議驗證和查錯，提高軟件協(xié)議棧開(kāi)發(fā)效率。

還有就是作為物聯(lián)網(wǎng)的電池節點(diǎn)等，都需要在很小的電池下，能夠長(cháng)時(shí)間工作，測量和監視這些微功耗狀態(tài)也是很重要的一項工作，因為為了節省耗電，這些節點(diǎn)通常都是處于瞬間工作狀態(tài)，于是，測量這些節點(diǎn)的長(cháng)周期，瞬間功耗和自動(dòng)化記錄分析，也成為一項復雜的工作，需要有專(zhuān)門(mén)的儀器來(lái)承擔。

正式根據物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)品設計和技術(shù)開(kāi)發(fā)的這種實(shí)際需要，一種新型射頻儀器出現了，這就是由無(wú)線(xiàn)龍科技集團設計的IOTA-1100系列物聯(lián)網(wǎng)綜合測試儀，該儀器在一臺儀器中，同時(shí)實(shí)現了上述4個(gè)方面的需求，下面，我們來(lái)簡(jiǎn)單介紹一下這種新型儀器的簡(jiǎn)單實(shí)際應用。

一空中協(xié)議分析儀功能

空中協(xié)議分析儀是一種先進(jìn)的數字化分析檢測設備，可以采集和分析不同的物聯(lián)網(wǎng)和傳感器網(wǎng)絡(luò )的通訊協(xié)議在空中傳輸的數據包裝，其中對符合IEEE802.15.4標準的物聯(lián)網(wǎng)傳感器網(wǎng)絡(luò )網(wǎng)絡(luò )的采集和分析，是物聯(lián)網(wǎng)綜合分析儀空中協(xié)議分析儀的一個(gè)基本配置功能；對于其它通訊標準的采集和分析，可以采用不同的協(xié)議擴展模塊來(lái)實(shí)現。

圖一是一個(gè)兩組不同ZIGBEE傳感器節點(diǎn)分析采集的樣板，我們通過(guò)這個(gè)樣板來(lái)來(lái)看看如何使用空中協(xié)議分析儀的基本功能。

首先，我們選擇進(jìn)入物聯(lián)網(wǎng)綜合分析儀上的空中協(xié)議分析功能（IEEE802.15.4協(xié)議分析儀功能）?？吹狡聊簧铣霈F的這個(gè)多窗口畫(huà)面，每個(gè)窗口分別具有空中數據包裝采集顯示，空中包裝時(shí)間流程顯示，包裝內容解析，網(wǎng)絡(luò )拓撲顯示等多種功能。

啟動(dòng)分析儀自動(dòng)采集命令，分析儀會(huì )自動(dòng)通過(guò)內部的2.4GHZ無(wú)線(xiàn)多通道2.4GHZ采集射頻電路和天線(xiàn)，實(shí)施多通道自動(dòng)掃描，如果在空中發(fā)現符合ZIGBEE標準的數據包裝，就會(huì )自動(dòng)完成空中包裝采集和自動(dòng)存儲和顯示這些數據。

圖一所示兩個(gè)ZIGBEE網(wǎng)絡(luò )，一個(gè)是采用電池供電的微型模塊組成的ZIGBEE網(wǎng)絡(luò )，由4個(gè)模塊組成，包括網(wǎng)關(guān)，路由器和節點(diǎn)（蘭色），另外一個(gè)是由5個(gè)能量收集模塊組成ZIGBEE微型傳感器網(wǎng)絡(luò )（綠色），通過(guò)分析儀內部高速嵌入式電腦的自動(dòng)采集和包裝和分析等復雜算法，在網(wǎng)絡(luò )拓撲窗口，我們可以實(shí)時(shí)觀(guān)察到這兩個(gè)獨立網(wǎng)絡(luò )運行情況和拓撲情況，蘭色的網(wǎng)絡(luò )由一個(gè)協(xié)調器，2個(gè)路由器，一個(gè)終端節點(diǎn)組成網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò )；另外一個(gè)能量收集網(wǎng)絡(luò )（綠色）由一個(gè)協(xié)調者，2個(gè)路由器和2個(gè)終端節點(diǎn)組成一個(gè)獨立的無(wú)電池無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )。

在包裝采集的窗口內，我們可以詳細了解每個(gè)數據包裝的格式內部信息，加入網(wǎng)絡(luò )和網(wǎng)絡(luò )路由的等網(wǎng)絡(luò )自組織的各種信息，了解網(wǎng)絡(luò )流量和繁忙情況，網(wǎng)絡(luò )可靠和健康狀態(tài)，實(shí)現多個(gè)射頻通道相互獨立的無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )的透明化監控和實(shí)時(shí)分析。

圖1：2個(gè)獨立的ZIGBEE傳感器網(wǎng)絡(luò )空中協(xié)議采集和分析演示

二射頻放大器電路測試和分析

為了增強物聯(lián)網(wǎng)傳感層的覆蓋范圍，我們在設計中往往需要為無(wú)線(xiàn)傳感器片上系統（SoC）添加各種射頻放大器，由于這些放大器工作在315MHZ到2.4GHZ的微波射頻頻段，測試和分析需要使用到昂貴的射頻頻譜分析儀，為了方便工程師使用低成本的測試開(kāi)發(fā)工具，物聯(lián)網(wǎng)分析儀配備了不同的頻譜分析儀模塊，供工程師使用。由于是功能共同使用物聯(lián)網(wǎng)分析儀內部的嵌入式電腦和彩色LCD顯示和觸摸屏，所以整體儀器增加成本不是很高。

物聯(lián)網(wǎng)分析儀有2個(gè)標準的50歐姆射頻插頭，可以實(shí)現射頻信號的輸出和輸入，內置的軟件可以實(shí)現高達2.45GHZ的射頻頻譜儀和射頻信號發(fā)生器功能，（使用選擇功能模塊可以高達5.8GHZ）。

圖二是一個(gè)測試接收放大器和發(fā)射放大器的測試演示

圖2：射頻放大器測試開(kāi)發(fā)配置示意圖

圖二中有兩個(gè)傳感器網(wǎng)絡(luò )無(wú)線(xiàn)模塊的的電路板（綠色和蘭色），實(shí)際測試時(shí)候，只能選擇對其中一個(gè)板子連接和實(shí)際測試和調試。

首先，我們測試發(fā)射放大器（圖二綠色電路板），這一般是功率放大器，我們將分析儀射頻輸出電纜連接在綠色電路板的輸入端（斷開(kāi)無(wú)線(xiàn)收發(fā)器輸出），將輸出信號調整到我們需要的頻率（300MHZ，433MHZ，900MHZ，2.45GHZ等），將輸出端（天線(xiàn)端）連接到分析儀接收電纜，將分析儀設置為頻譜接收狀態(tài)，我們可以在分析儀上觀(guān)察到射頻頻譜信號，可以采用波形顯示或者同時(shí)采用密度顯示，還有觀(guān)察到最大頻譜軌跡，平均頻譜軌跡等高級數值功能；通過(guò)射頻信號發(fā)生器和頻譜儀，我們可以測試功率發(fā)生器的各種射頻參數，對放大器相關(guān)輸出阻抗，功率，噪聲等，進(jìn)行調整，完成一個(gè)高質(zhì)量功率放大器調試和測試過(guò)程；

對低噪聲放大器測試調試（圖二蘭色電路板）的測試和調試，只需要分別將分析儀輸入輸出端進(jìn)行不同射頻連接，同樣可以容易方便實(shí)現對低噪聲放大器這樣高難度射頻傳感器模塊的測試調試工作。

三、其它功能和擴展功能模塊

IOTA-1100物聯(lián)網(wǎng)分析儀還具備微功耗分析儀功能，并作為標準配置，可以實(shí)現傳感器節點(diǎn)等在瞬間功率不同狀態(tài)下連續記錄和功耗，平均電流，最大電流等參數自動(dòng)化測試。

同時(shí)，系列新功能的選擇模塊將陸續加入該儀器的選擇配置，選擇配置將包括HF和UHFRFID分析功能模塊，5.8GHZ頻譜儀功能模塊和信號發(fā)射功能模塊，射頻網(wǎng)絡(luò )分析儀功能模塊，RF4CE，藍牙4.0和藍牙微功耗，3G/4G射頻電訊網(wǎng)絡(luò )等模塊等，

四、小結

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)發(fā)展，必然需要相適應的測量?jì)x器和分析儀器和設計工具來(lái)支持，物聯(lián)網(wǎng)分析儀這類(lèi)儀器的出現，將加快射頻微波技術(shù)普及和方便技術(shù)開(kāi)發(fā)人員加速產(chǎn)品設計和加快產(chǎn)品上市的步伐，也可以幫助企業(yè)縮短物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)品開(kāi)發(fā)設計周期，為技術(shù)開(kāi)發(fā)人員和工程師，提供了更多的設計工具和儀器選擇。

相信這些新型儀器和各種新型設計工具的發(fā)展，能夠助力物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)更加迅速的成長(cháng)。