輕松通過(guò)WLAN發(fā)射機預一致性測試須知

　　光有智能小玩意已經(jīng)不夠了。任何小玩意如果想吸引消費者注意，不僅要智能化，還要聯(lián)網(wǎng)化。聯(lián)網(wǎng)化意味著(zhù)設計中還必須有無(wú)線(xiàn)功能。無(wú)線(xiàn)技術(shù)帶來(lái)了許多新的設計可能，并開(kāi)始出現在某些不尋常的地方。下面列舉了一些比較有趣的實(shí)例：

　　· 初創(chuàng )公司Velo Labs正在開(kāi)發(fā)一種采用太陽(yáng)能提供動(dòng)力的自行車(chē)鎖，它可以?huà)斓絎i-Fi網(wǎng)絡(luò )上，在車(chē)鎖的動(dòng)作檢測器感應到自行車(chē)可能被盜時(shí)，會(huì )向自行車(chē)主的智能手機發(fā)送警報。

　　· Oral-B的一種新型智能電動(dòng)牙刷采用無(wú)線(xiàn)技術(shù)，捕獲與用戶(hù)刷牙習慣有關(guān)的信息，其可望成為牙科記錄的一部分。這到底算不算好事還有待消費者來(lái)評判。

　　當然，其意義在于在貨架上、在工作中或有待想象的數千種產(chǎn)品將采用某種低功率無(wú)線(xiàn)功能，滿(mǎn)足消費者需求，或者可能會(huì )成為所謂的物聯(lián)網(wǎng)的一部分。

　　對聯(lián)網(wǎng)的所有這些需求極具挑戰性的部分是產(chǎn)品制造商必需學(xué)習怎樣在產(chǎn)品中增加無(wú)線(xiàn)功能，但許多制造商幾乎沒(méi)有RF經(jīng)驗。最常用、也是最實(shí)用的方法是在設計中直接采用預封裝的WLAN模塊。這些模塊的市場(chǎng)正以?xún)晌粩档乃俣葟妱旁鲩L(cháng)，而且預計還會(huì )持續增長(cháng)，也就不足為奇了。

　　盡管使用無(wú)線(xiàn)模塊消除了許多技術(shù)問(wèn)題，如圖1所示，但還需要做許多決策。最關(guān)鍵、也是最棘手的任務(wù)是確保最終產(chǎn)品滿(mǎn)足復雜的FCC和國際法規要求。一致性測試是窮盡式測試，耗費時(shí)間長(cháng)，在產(chǎn)品開(kāi)發(fā)的這個(gè)階段測試失敗可能會(huì )導致昂貴的重新設計及耽誤產(chǎn)品推出。

　　正如流程圖第6步所顯示的那樣，法規預一致性檢查對避免這些最壞情況場(chǎng)景至關(guān)重要。幸運的是，可以在內部使用經(jīng)濟的、熟悉的測試設備，執行預一致性測試，確保采用無(wú)線(xiàn)技術(shù)的產(chǎn)品實(shí)現很高的第一次就通過(guò)一致性測試的概率。其目標是提前發(fā)現潛在問(wèn)題，降低一致性測試階段高昂的測試失敗風(fēng)險。

　　圖1. 使用無(wú)線(xiàn)模塊降低了設計復雜度，但也涉及許多重要步驟，最關(guān)鍵的是要確保在設計階段通過(guò)法規一致性測試。

　　從第一次無(wú)線(xiàn)傳輸開(kāi)始，頻譜輻射就一直是設計工程師關(guān)注的課題。世界各地的法規機構都設置了輻射水平極限，規定了一致性測試的測量方法。正式認證必須在產(chǎn)品可以銷(xiāo)售前完成，必須在獨立實(shí)驗室完成，每天成本在5，000 - 10，000美元，而且還沒(méi)包括差旅費和其他開(kāi)支。

　　使用市面上的模塊，即使是已經(jīng)自行認證的模塊，也不一定能使獲得認證的工作變得大大簡(jiǎn)便。這是因為還必須測試和質(zhì)檢完全組裝好的成品。PC電路板布線(xiàn)、天線(xiàn)設計和方向或系統交互等設計問(wèn)題可能會(huì )導致產(chǎn)品不能滿(mǎn)足認證要求。

　　通過(guò)利用儀器，可以輕松得多地在設計階段辨別這些問(wèn)題。這些儀器不僅讓設計人員在自己的測試臺上執行全系列預一致性測試，還幫助設計人員識別可能導致產(chǎn)品未能通過(guò)正式測試的問(wèn)題的根本原因。

　　預一致性測試與全面一致性

　　在無(wú)線(xiàn)模塊系統集成后將進(jìn)行預一致性測試，以確定設計中的任何問(wèn)題區域。預一致性測試不一定需要與每一項國際標準對應，因為目標只是發(fā)現潛在問(wèn)題，減少在昂貴的一致性測試階段測試失敗的風(fēng)險。使用的設備也不一定包括標準要求的每種功能和規范，如果測試結果運用足夠的余量，其精度和動(dòng)態(tài)范圍可能會(huì )低于滿(mǎn)足標準的接收機。

　　擁有通用濾波器和檢測器的通用頻譜分析儀是預認證和EMI放射測試的很好的入手點(diǎn)。但是，在進(jìn)行更完善的分析時(shí)，最好使用WLAN特定測試和認證解決方案，支持IEEE 802.11標準要求的全系列測試和分析。特別是在基于混合域示波器、并與矢量信號分析軟件相結合時(shí)，這樣的解決方案允許設計人員把時(shí)域中的事件與頻域分析關(guān)聯(lián)起來(lái)，快速識別可能導致產(chǎn)品認證失敗的問(wèn)題。例如，時(shí)域中只在喚醒過(guò)程中發(fā)生的毛刺可能會(huì )在頻域中導致帶外輻射。

　　一個(gè)常見(jiàn)的問(wèn)題通常涉及怎樣比較全面一致性測試使用的準峰值（QP）檢測器與預一致性測試一般使用的比較簡(jiǎn)單的峰值檢測器。實(shí)際上，在開(kāi)始測試時(shí)，外部實(shí)驗室一般先使用簡(jiǎn)單的峰值檢測器進(jìn)行掃描，找到超過(guò)或接近規定極限的問(wèn)題區域。對接近或超過(guò)極限的信號，他們將執行準峰值測量。

　　準峰值檢測器是EMI測量標準規定的一種特殊的檢測方法。準峰值檢測器用來(lái)檢測信號包絡(luò )加權后的峰值（準峰值）。它根據信號持續時(shí)間和重復率對信號加權。信號發(fā)生頻次越高，與偶發(fā)脈沖相比，準峰值測量數據越高。

　　圖2：這個(gè)實(shí)例說(shuō)明了峰值和準峰值檢測對8 µs脈寬和10 ms重復速率的信號的影響。準峰值比峰值低10.1 dB。

　　一個(gè)良好的法則是準峰值將一直小于等于峰值檢測，永遠不會(huì )大于峰值檢測。因此，您可以使用峰值檢測，進(jìn)行EMI調試和診斷。您不需要精確到EMI部門(mén)或實(shí)驗室掃描水平，因為它們都是相對的。如果您的實(shí)驗室報告使用準峰值檢測器顯示設計超出3 dB，峰值檢測顯示超出6 dB，那么您需要實(shí)現補丁，把信號降低-3 dB或以上。

　　本文選自電子發(fā)燒友網(wǎng)8月《無(wú)線(xiàn)通信特刊》Change The World欄目，轉載請注明出處！
　　

　　預一致性探測技術(shù)

　　全面EMI一致性測試實(shí)驗室中使用EMI接收機和精心校準的天線(xiàn)，在3米或10米距離上測試電子器件。換句話(huà)說(shuō)，測量在遠場(chǎng)中完成。在本質(zhì)上，遠場(chǎng)測試可以準確地區分產(chǎn)品整體上是通過(guò)測試還是測試失敗，但不能指出問(wèn)題的來(lái)源。在只使用遠場(chǎng)測試時(shí)，用戶(hù)不能把問(wèn)題隔離到具體元器件或位置，比如在打開(kāi)金屬機箱時(shí)“泄漏”出太多的RF能量，也不能幫助識別放射出太多RF能量的電纜。近場(chǎng)測試是定位此類(lèi)輻射來(lái)源的唯一途徑，一般使用頻譜分析儀和近場(chǎng)探頭執行近場(chǎng)測試。

　　圖3所示的EMI近場(chǎng)探頭是一種電磁撿拾裝置，用來(lái)捕獲關(guān)心區域的電場(chǎng)（E）或磁場(chǎng)（H），與頻譜分析儀一起使用。制造商提供了成套探頭，在尺寸、靈敏度和頻率范圍之間實(shí)現最佳均衡，您可能需要工具箱中所有尺寸，才能解決問(wèn)題。選擇磁場(chǎng)探頭還是電場(chǎng)探頭可能取決于信號在設計中的位置、信號源特點(diǎn)（電壓或電流）等等。例如，存在金屬屏蔽可能會(huì )抑制電場(chǎng)，在應用中必需使用磁場(chǎng)探頭。必須使用近場(chǎng)探頭撿拾被測器件附近的信號。

　　圖3：近場(chǎng)探頭用來(lái)發(fā)現非預計的RF輻射的位置。

　　電壓探頭與示波器和頻譜分析儀一起使用，直接連接到關(guān)心的電路上。傳統示波器探頭可以與頻譜分析儀一起使用，視探頭的阻抗，會(huì )導致靈敏度損失。例如，把一只500歐姆Z0示波器探頭連接到一臺50歐姆頻譜分析儀上，會(huì )導致10:1分路器及到頻譜分析儀輸入的信號下降20dB。但是，在直接連接電路時(shí)，信號一般很大，即使信號電平下降，頻譜分析儀仍能看得見(jiàn)。此外，頻譜分析儀的噪底和靈敏度一般要比示波器好幾個(gè)量級，因此探頭損耗很少會(huì )成為限制因素。電壓探頭必須直接連接到電路上，才能撿拾信號。

　　預一致性測試的三個(gè)基本步驟

　　對預一致性測試，頻域分成3個(gè)子域或區域，如圖4所示。表1顯示了北美和歐洲的2.4 GHz頻段WLAN一致性測試要求。每個(gè)子域都有單獨的法規，在產(chǎn)品推向市場(chǎng)前，無(wú)線(xiàn)設備實(shí)現者需要成功完成“3步頻譜預一致性測試”。這些步驟是：

　　· 帶內（信道）域：檢查發(fā)射功率輸出、發(fā)送帶寬和功率頻譜密度、等等。

　　· 帶外域：檢查頻譜輻射或鄰道功率比（ACPR）。模板通常由IEEE等通信標準規定。

　　· 雜散域：檢查雜散輻射水平。

　　圖4. 對預一致性測試，頻域分成三個(gè)子域。

　　發(fā)送功率測量

　　在規劃或更新無(wú)線(xiàn)設備安裝時(shí)，通常必需確定無(wú)線(xiàn)設備能否實(shí)現一定的傳輸距離。但是，這些信息不會(huì )打印在無(wú)線(xiàn)設備和天線(xiàn)的技術(shù)數據中?？梢栽试S的最大輸出功率根據地區法規機構規定的方法測量。因此，您需要檢查標準和法規，確保設備能夠通過(guò)一致性測試。圖5說(shuō)明了使用矢量信號分析軟件及頻譜分析儀執行這一測試的步驟。

　　必需指出，某些WLAN信號超出了分析儀能夠執行發(fā)送功率測量的帶寬。例如，802.11ac信號要求至少160 MHz的帶寬，才能執行突發(fā)功率測試。

　　圖5：這個(gè)實(shí)例說(shuō)明了執行IEEE 802.11g 發(fā)送功率測量的步驟。

　　功率頻譜密度測量

　　功率頻譜密度（PSD）是每個(gè)單位頻率內的功率。例如，FCC要求在連續傳輸的任何時(shí)間間隔內，在任何3 kHz頻段中，從故意輻射體傳導到天線(xiàn)的功率頻譜密度不得大于8 dBm，您需要把頻譜分析儀中心頻率設置成通道中心頻率，把RBW設置成3 kHz，使用峰值檢測器和標記確定最大幅度電平是否大于8 dBm。

　　圖6： IEEE 802.11g 功率頻譜密度測量

　　占用帶寬測量

　　占用帶寬是衡量包含指定百分比的總信號功率的頻段帶寬的指標。占用帶寬（OBW）測量信號在分配信道內占用多少帶寬。一般來(lái)說(shuō)，OBW用分配信道帶寬內總功率的百分比指定，如99%或X dB以下帶寬。在圖6所示的例子中，FCC要求最低6dB帶寬至少應為500 kHz，因此您需要進(jìn)行6 dB以下占用帶寬測量。

　　圖7： IEEE 802.11g 占用帶寬測量

　　頻譜輻射模板測量

　　一旦設備的發(fā)射功率輸出滿(mǎn)足帶內合規要求，您可以轉向測試帶外輻射。頻譜模板是以數學(xué)方式定義的、應用到無(wú)線(xiàn)傳輸電平的一套線(xiàn)。這個(gè)模板提供了允許信號功率分布到通道中的極限。它為標準的每個(gè)變通方案都規定了發(fā)射頻譜模板。一般來(lái)說(shuō)，頻譜輻射模板（或帶外）域從必需帶寬（分配的通道帶寬）0.5倍的頻率偏置開(kāi)始，一直擴展到必需帶寬的2.5倍。例如，20 MHz帶寬802.11g信號的IEEE輻射模板域是距中心頻率±10 MHz到±50 MHz頻率偏置。圖7顯示了這一測量流程。

　　圖8： IEEE 802.11g頻譜輻射模板測量流程。

　　雜散輻射測量

　　雜散輻射是非故意產(chǎn)生或發(fā)送的任何無(wú)線(xiàn)頻率，特別是在正常情況下產(chǎn)生其他頻率的設備中。發(fā)射機分配信道以外的諧波或其他信號將被視為雜散輻射。許多本地法規標準，如美國的FCC，提供了一定的不想要的輻射域的雜散輻射功率的極限（可以允許的值）。在圖8所示的實(shí)例中，極限線(xiàn)從這個(gè)保存的設置文件中加載，對標準中確立的每個(gè)頻率區域有相應的設置 。

　　圖9： IEEE 802.11g 雜散測量流程。

　　克服RF集成復雜性

　　許多制造商認為，他們只需要購買(mǎi)一個(gè)無(wú)線(xiàn)模塊，然后只需很少的工作就可以使產(chǎn)品獲得認證，準備上市。然而即使是相當簡(jiǎn)單的集成工作，仍有許多潛在的問(wèn)題領(lǐng)域，有許多必須滿(mǎn)足的復雜的法規要求?？紤]到前往一致性認證機構的時(shí)間成本，預一致性測試成為必須。

　　然而，檢查所有標準和法規不僅十分困難，而且耗時(shí)很長(cháng)。即使已經(jīng)收集了所有法規信息，但您仍需熟悉測試設備，確保正確設置所有測量。事實(shí)上，預一致性測試程序可能會(huì )在頻譜分析儀中增加幾百次操作。

　　為了簡(jiǎn)化這一過(guò)程，測試測量供應商已經(jīng)著(zhù)手提供分步指引或向導，使用混合域示波器或頻譜分析儀為WLAN器件執行預一致性測量。此外，診斷不限于預一致性測試。這些工具還支持全面診斷和調試，確保RF系統能夠實(shí)現規定的性能水平，而不會(huì )被集成系統的其他部分劣化。

　　關(guān)于作者

　　Xiao Li現為泰克公司產(chǎn)品線(xiàn)應用工程師，其重點(diǎn)是商用無(wú)線(xiàn)、頻譜管理和RF教育應用。他于2012年加入泰克。他畢業(yè)于沈陽(yáng)理工大學(xué)，獲得理學(xué)士學(xué)位；后畢業(yè)于美國俄勒岡波特蘭州立大學(xué)，獲得理學(xué)碩士學(xué)位和博士學(xué)位。他還曾作為波特蘭州立大學(xué)的兼職教授。他的科研興趣包括無(wú)線(xiàn)通信和信號處理。