新型射頻儀器推動物聯(lián)網產品和設計測試分析

最近工信部發(fā)布了物聯(lián)網十二五規(guī)劃，預示物聯(lián)網技術作為新興戰(zhàn)略產業(yè)將會獲得迅速發(fā)展；在物聯(lián)網涉及的關鍵技術中，無線技術是其中一個非常重要的技術領域,無論是在傳感層各種傳感器之間的組網和通訊或者網絡層各種網關,路由器之間的通訊，都涉及到各種無線通訊的技術的方方面面。

我們知道，物聯(lián)網使用的無線技術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上運行的標準化無線設備和技術(如藍牙4.0、ZigBeePRO、WiFi) ，這個頻率幾乎可以方便的用于世界上任何地方。然而，為了改進大樓穿透力和傳輸距離、降低各種干擾、減少無線通訊中的功耗，設計開發(fā)的工程師可以考慮使用各國規(guī)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)網相關產品的時候，我們原來熟悉和使用的一些儀表例如普通示波器，數(shù)字信號發(fā)生器和函數(shù)發(fā)生器，萬用表等，由于基本上是低頻和時域的儀器，在面對幾百著到數(shù)千兆高頻微波射頻信號時，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，射頻網絡分析儀等，這些儀器目前市面上很多，但是共同的特點是非常昂貴，動輒每臺幾萬,甚至每臺高達幾十萬元。

另外一方面，物聯(lián)網技術中,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，由軟件實現(xiàn)，最終實現(xiàn)不同網絡節(jié)點，路由器，網關之間的通訊。對于無線通訊而言，大量的通訊數(shù)據是以不同的數(shù)據包，在空中傳輸，這就要求有一種特殊的高頻儀器來采集和分析這些在空中傳輸,但是我們看不見，摸不著的數(shù)據包裝，才能有效的實現(xiàn)對通訊協(xié)議驗證和查錯，提高軟件協(xié)議棧開發(fā)效率。

還有就是作為物聯(lián)網的電池節(jié)點等，都需要在很小的電池下，能夠長時間工作，測量和監(jiān)視這些微功耗狀態(tài)也是很重要的一項工作，因為為了節(jié)省耗電，這些節(jié)點通常都是處于瞬間工作狀態(tài)，于是，測量這些節(jié)點的長周期，瞬間功耗和自動化記錄分析，也成為一項復雜的工作，需要有專門的儀器來承擔。

正式根據物聯(lián)網產品設計和技術開發(fā)的這種實際需要，一種新型射頻儀器出現(xiàn)了，這就是由無線龍科技集團設計的IOTA-1100系列物聯(lián)網綜合測試儀，該儀器在一臺儀器中，同時實現(xiàn)了上述4個方面的需求，下面，我們來簡單介紹一下這種新型儀器的簡單實際應用。

一 空中協(xié)議分析儀功能

空中協(xié)議分析儀是一種先進的數(shù)字化分析檢測設備，可以采集和分析不同的物聯(lián)網和傳感器網絡的通訊協(xié)議在空中傳輸?shù)臄?shù)據包裝，其中對符合IEEE 802.15.4標準的物聯(lián)網傳感器網絡網絡的采集和分析，是物聯(lián)網綜合分析儀空中協(xié)議分析儀的一個基本配置功能；對于其它通訊標準的采集和分析，可以采用不同的協(xié)議擴展模塊來實現(xiàn)。

圖一是一個兩組不同ZIGBEE 傳感器節(jié)點分析采集的樣板，我們通過這個樣板來來看看如何使用空中協(xié)議分析儀的基本功能。

首先，我們選擇進入物聯(lián)網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(xiàn)的這個多窗口畫面，每個窗口分別具有空中數(shù)據包裝采集顯示，空中包裝時間流程顯示，包裝內容解析，網絡拓撲顯示等多種功能。

啟動分析儀自動采集命令，分析儀會自動通過內部的2.4GHZ無線多通道2.4GHZ采集射頻電路和天線，實施多通道自動掃描，如果在空中發(fā)現(xiàn)符合ZIGBEE標準的數(shù)據包裝，就會自動完成空中包裝采集和自動存儲和顯示這些數(shù)據。

圖一所示兩個ZIGBEE網絡，一個是采用電池供電的微型模塊組成的ZIGBEE網絡，由4個模塊組成，包括網關，路由器和節(jié)點（蘭色），另外一個是由5個能量收集模塊組成ZIGBEE微型傳感器網絡（綠色），通過分析儀內部高速嵌入式電腦的自動采集和包裝和分析等復雜算法，在網絡拓撲窗口，我們可以實時觀察到這兩個獨立網絡運行情況和拓撲情況，蘭色的網絡由一個協(xié)調器，2個路由器，一個終端節(jié)點組成網狀網絡；另外一個能量收集網絡（綠色）由一個協(xié)調者，2個路由器和2個終端節(jié)點組成一個獨立的無電池無線傳感器網絡。

在包裝采集的窗口內，我們可以詳細了解每個數(shù)據包裝的格式內部信息，加入網絡和網絡路由的等網絡自組織的各種信息，了解網絡流量和繁忙情況，網絡可靠和健康狀態(tài)，實現(xiàn)多個射頻通道相互獨立的無線傳感器網絡的透明化監(jiān)控和實時分析。

圖1：2個獨立的ZIGBEE傳感器網絡空中協(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)網傳感層的覆蓋范圍，我們在設計中往往需要為無線傳感器片上系統(tǒng)（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發(fā)工具，物聯(lián)網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)網分析儀有2個標準的50歐姆射頻插頭，可以實現(xiàn)射頻信號的輸出和輸入，內置的軟件可以實現(xiàn)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：射頻放大器測試開發(fā)配置示意圖

圖二中有兩個傳感器網絡無線模塊的的電路板（綠色和蘭色），實際測試時候，只能選擇對其中一個板子連接和實際測試和調試。

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（斷開無線收發(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察到射頻頻譜信號，可以采用波形顯示或者同時采用密度顯示，還有觀察到最大頻譜軌跡，平均頻譜軌跡等高級數(shù)值功能；通過射頻信號發(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(shù)，對放大器相關輸出阻抗，功率，噪聲等，進行調整，完成一個高質量功率放大器調試和測試過程；

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行不同射頻連接，同樣可以容易方便實現(xiàn)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)網分析儀還具備微功耗分析儀功能，并作為標準配置，可以實現(xiàn)傳感器節(jié)點等在瞬間功率不同狀態(tài)下連續(xù)記錄和功耗，平均電流，最大電流等參數(shù)自動化測試。

同時，系列新功能的選擇模塊將陸續(xù)加入該儀器的選擇配置，選擇配置將包括HF和UHF RFID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，射頻網絡分析儀功能模塊，RF4CE，藍牙4.0和藍牙微功耗，3G/4G射頻電訊網絡等模塊等，

四、小結

物聯(lián)網技術發(fā)展，必然需要相適應的測量儀器和分析儀器和設計工具來支持，物聯(lián)網分析儀這類儀器的出現(xiàn)，將加快射頻微波技術普及和方便技術開發(fā)人員加速產品設計和加快產品上市的步伐，也可以幫助企業(yè)縮短物聯(lián)網產品開發(fā)設計周期，為技術開發(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)網產業(yè)更加迅速的成長。