從基帶到射頻的物聯(lián)網(wǎng)測試

　　物聯(lián)網(wǎng)（IoT）已經(jīng)是持續了一些年的一個(gè)熱詞，智能家居產(chǎn)品的研制在國內外也開(kāi)始轟轟烈烈地行動(dòng)起來(lái)。不管是物聯(lián)網(wǎng)還是智能家居，除了促進(jìn)了傳感器等技術(shù)的發(fā)展之外，最關(guān)鍵的一點(diǎn)就是如何實(shí)現“聯(lián)”，更確切地說(shuō)叫“無(wú)線(xiàn)連接”。為了實(shí)現適于這些應用所需要的“無(wú)線(xiàn)連接”，與此相關(guān)的RFID， NFC， WiFi， BlueTooth， ZigBee， Z-Wave 等短距離的無(wú)線(xiàn)通訊技術(shù)和新標準種類(lèi)繁多，層出不窮。搜集，總結了一些當今主要的無(wú)線(xiàn)連接技術(shù)的應用領(lǐng)域和各自的特點(diǎn)，下面簡(jiǎn)單概述一下：

　ZigBee是一種低速短距離傳輸的無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )協(xié)議，從下到上分別為物理層（PHY）、媒體訪(fǎng)問(wèn)控制層（MAC）、傳輸層（TL）、網(wǎng)絡(luò )層（NWK）、應用層（APL）等。其中物理層和媒體訪(fǎng)問(wèn)控制層遵循IEEE 802.15.4標準的規定，這是一種具有經(jīng)濟、高效、低數據速率（《250kbps）、工作在2.4GHz（全球）和868（歐洲）/915MHz（北美）的無(wú)線(xiàn)技術(shù)。不同頻段的信道數量和信道帶寬也各不相同；調制技術(shù)也不同：868MHz和915MHz頻段采用的是BPSK調制技術(shù)，2.4GHz頻段采用的是OQPSK調制技術(shù)。

　　 與ZigBee類(lèi)似的標準還有Z-wave、ANT、EnOcean等，相互之間不兼容。Z-wave在智能家居方面占據了強勢地位，主流廠(chǎng)商都加入了這個(gè)陣營(yíng)，大有難以撼動(dòng)之勢。它具有低成本、低功耗、高可靠、適于網(wǎng)絡(luò )的短距離無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)。工作頻帶為908.42MHz（美國），868.42MHz（歐洲），采用FSK（BFSK/GFSK）調制方式，數據傳輸速率為9.6 kbps和40 kbps。想搞智能家居，看來(lái)還得遵循這個(gè)行業(yè)的“規矩”？

　　EnOcean是世界上唯一使用能量采集技術(shù)的無(wú)線(xiàn)國際標準。通過(guò)采集周?chē)h(huán)境產(chǎn)生的能量，比如機械能，室內的光能，溫度差的能量等，把這些能量經(jīng)過(guò)處理以后，供給EnOcean超低功耗的無(wú)線(xiàn)通訊模塊，實(shí)現真正的無(wú)數據線(xiàn)，無(wú)電源線(xiàn)，無(wú)電池的通訊系統。與同類(lèi)技術(shù)相比，功耗最低，傳輸距離最遠，可以組網(wǎng)并且支持中繼。EnOcean工作的頻段有：868 MHz、315 MHz、902 MHz，采用ASK調制技術(shù)，每個(gè)無(wú)線(xiàn)電信號占用信道的時(shí)間是1毫秒，傳輸速率125KB/s。

　　在能源以及工業(yè)控制等領(lǐng)域，還有Wi-SUN， WirelessHART等標準。

　　標準可謂種類(lèi)繁多，從物理層到7層協(xié)議的若干層都具有不同的規定。高層的測試可以通過(guò)相關(guān)的協(xié)議分析儀或者價(jià)格敏感的用戶(hù)可以通過(guò)軟件進(jìn)行測試。這里我們集中討論有關(guān)物理層的測試。即使是無(wú)線(xiàn)連接的物理層，這些不同的標準也采用了不同的頻率，它們普遍用到的頻率有315/433/868/915MHz，2.4GHz甚至5.8GH，它們采用了不同的調制方式，比如ASK，FSK，OQPSK等等。當然，基帶的處理也各不相同，接下來(lái)就說(shuō)說(shuō)從基帶到射頻的物聯(lián)網(wǎng)測試。

　　不同頻率的射頻收發(fā)模塊加上基帶處理是這類(lèi)產(chǎn)品的主要組成部分，已經(jīng)被廣泛地應用在這些領(lǐng)域，比如：無(wú)線(xiàn)報警，無(wú)線(xiàn)抄表，安全系統，工業(yè)監測和控制，智能穿戴，智能家居，智能物流，智能停車(chē)場(chǎng)，遙控，玩具等等各種物聯(lián)網(wǎng)的應用中。在國內，研發(fā)，生產(chǎn)這類(lèi)產(chǎn)品的廠(chǎng)家也非常多。下面以近些年來(lái)越來(lái)越普及的2.4GHz頻段為例，闡述一下針對這類(lèi)產(chǎn)品從基帶到射頻的測試方法。

　　在這些產(chǎn)品中都少不了要用到射頻收發(fā)模塊，TI，NORDIC等公司都提供了豐富的射頻收發(fā)芯片，比如TI的CC2520等，NORDIC公司的nRF24L01等，都是著(zhù)名的被廣泛應用于無(wú)線(xiàn)收發(fā)模塊上的芯片。這些芯片可以方便地與MCU或FPGA等構成各種滿(mǎn)足不同應用的產(chǎn)品，它的主要特點(diǎn)如下：

　　 2.4GHz 全球開(kāi)放ISM 頻段免許可證使用

　　工作速率可調，最高工作速率達2Mbps左右

　 采用FSK，MSK，GFSK等調制，抗干擾能力強，特別適合工業(yè)控制場(chǎng)合

　　支持多信道，有的多達100多個(gè)，滿(mǎn)足多點(diǎn)通信和跳頻通信需要

　　內置硬件CRC 檢錯和點(diǎn)對多點(diǎn)通信地址控制

　　輸出功率可程控

　　接收靈敏度高，可達-80dBm 左右，甚至更低電平

　 通過(guò)SPI等接口完成數據的交換，包括數據的發(fā)送，數據的接收。

　　這類(lèi)芯片的內部結構示意圖如圖1所示：

　　圖1：收發(fā)芯片內部結構示意圖（摘自TI數據手冊）

　　圖2是基于TI和NORDIC芯片的2.4GHz無(wú)線(xiàn)收發(fā)模塊，下面我們就針對這類(lèi)產(chǎn)品討論一下測試的方法。

　　圖2：常見(jiàn)的2.4GHz無(wú)線(xiàn)收發(fā)模塊

　　針對這類(lèi)產(chǎn)品的研發(fā)，生產(chǎn)測試，通常會(huì )需要用到以下的測量?jì)x器：

　　 頻譜分析儀，測量分析發(fā)射信號的頻譜，比如DSA832或DSA875;

　　 帶數字調制功能的射頻信號源，模擬產(chǎn)生帶GFSK等調制的信號，測試模塊的接收性能，比如DSG3030-IQ或DSG3060-IQ；

　　 四通道數字示波器，用于測試SPI總線(xiàn)和基帶信號等，比如DS/MSO4000系列。

　　 直流電源提供直流供電，比如DP832，DP831等；

　　這類(lèi)產(chǎn)品的收發(fā)性能測量的設置如圖3所示，如果這些東西都湊齊了，我們就可以對這類(lèi)產(chǎn)品開(kāi)始從基帶到射頻，從數字到模擬的微測了。

　　圖3：模塊的收發(fā)性能測量的設置

　　這類(lèi)應用的產(chǎn)品中都少不了射頻收發(fā)模塊。射頻收發(fā)模塊與MCU或FPGA之間通常是采用SPI總線(xiàn)對模塊進(jìn)行配置，控制，并傳送發(fā)射或接收的數據的，我們可以使用帶SPI總線(xiàn)的觸發(fā)和解碼功能的數字示波器，比如DS4054或MSO4054對SPI總線(xiàn)進(jìn)行測試，以便驗證實(shí)際的通信信號是否正確。SPI規范所定義的讀寫(xiě)操作的時(shí)序如下：

　　圖4：SPI總線(xiàn)的讀操作

　　圖5：SPI總線(xiàn)的寫(xiě)操作

　　下面我們就通過(guò)DS4054對一個(gè)產(chǎn)品進(jìn)行實(shí)測一下，首先設置示波器的SPI總線(xiàn)的觸發(fā)條件，如果你的示波器沒(méi)有這種專(zhuān)門(mén)的觸發(fā)功能，就費勁了?？稍O置成觸發(fā)在當SPI的MOSI或MISO在傳送一個(gè)特定數據出現時(shí)，比如，觸發(fā)在當傳送00010111時(shí)觸發(fā)，如果沒(méi)有出現，屏幕上無(wú)顯示，示波器處于“等待觸發(fā)”的狀態(tài)，一旦出現，就會(huì )出現圖6所示的顯示：

　　圖6：在DS4054上設置SPI總線(xiàn)的觸發(fā)

　　一旦觸發(fā)條件中所設置的數據出現在SPI總線(xiàn)上時(shí)，DS4054就會(huì )捕獲到，不但能看到波形顯示，還需要知道傳送的數據的具體內容。熟悉幀結構的工程師可以自己數，自己“解碼”，這是個(gè)費神的活兒。還是借助示波器的自動(dòng)解碼功能吧，通過(guò)SPI解碼功能，可以自動(dòng)顯示出每幀的具體內容，以不同進(jìn)制的格式顯示，直接看結果，就能判斷傳送的數據是否有錯，一旦出現錯誤，可以分析是軟件錯誤還是信號失真或干擾導致的錯誤。圖7就是通過(guò)SPI總線(xiàn)的自動(dòng)解碼功能，顯示出幀的具體內容。

　　圖7：DS4054對SPI總線(xiàn)的解碼設置和顯示

　　通過(guò)SPI總線(xiàn)，我們可以獲取整個(gè)產(chǎn)品收發(fā)的數據，進(jìn)而進(jìn)行分析。