物联网常用无线模块 接收灵敏度及发射功率简化测量方法

物联网常用无线模块

接收灵敏度及发射功率简化测量方法

 

1、常见无线制式测试需求概述

目前物联网行业常用的无线模块主要Wifi、蓝牙、433M、LORA、NB-lot等，以上描述是不严谨的描述，433M本身不是制式或协议。

从制式和频段来说，Wifi一般工作在2.4GHz或5.8GHz，调制制式一般为OFDM，蓝牙一般工作在2.4GHz，调制制式一般为GFSK、PSK、π/4-DQPSK、8DPSK。Wifi和蓝牙技术本身是为影音消费电子设计，特点是传输速率高，缺点是距离较短，但因为目前智能手机上都有Wifi和蓝牙功能，所以使用Wifi和蓝牙作为通信手段的物联网产品在智能家居领域应用非常多，使用这两种制式的物联网产品，一般对通信距离没有太高要求，能覆盖一般家庭10m*10m的空间即可，因为对通信距离要求不是很高，所以但对发射功率、接收灵敏度的测试需求不是很大，并且因为Wifi和蓝牙调制方式较复杂，目前市场上还没有很低成本的测试方案，主流以安捷伦和R&S为主，国内还有极致汇仪公司。

在无线抄表、工业现场等对通信距离有要求，并且希望功耗尽可能低的应用场所，433M广泛应用，433M是不严谨的表述，一般来说，常用的频段为142MHz~175 MHz、264 MHz ~350 MHz、420 MHz ~525 MHz、850 MHz ~1050 MHz，但国内以433MHz、460MHz附近频段使用的最多，需要提醒的是150~160MHz是海事频段，如果使用场合附近有河、海、湖，频点容易与当地海事部门冲突，引起不必要的麻烦，最好避开这段。在433频段，或者表述为sub-GHz频段，通信制式一般是较简单的OOK、2(G)FSK、4(G)FSK等，使用sub-GHz频段的设备一般为工业、商业设备，通信距离是关键指标，所以射频功率和接收灵敏度是关键指标，目前市场上主流以安捷伦和R&S为主，测试成本还是比较高的。

新开发的sub-GHz频段的设备开始采用新的LORA制式，频段与之前频段一样，因采用特殊的扩频调制方式，通信距离有了较多改善，因LORA制式为Semtech公司专利技术，测试时使用的安捷伦和R&S的仪器也都是采用Semtech公司提供的波形文件，所以必须使用高端矢量信号源才能够进行测试，所以测试成本更高。

至于最新的NB-lot技术，这个技术完全不同于上述技术，他更像是传统GPRS的升级，相比GPRS降低了功耗，优化了物联网使用场景，但与其他制式最大的不同是采用运营商的网络，通信距离更大取决于运营商基站覆盖的情况，并且目前NB-lot的硬件也是最复杂的，大部分物联网产品企业不会自己制造模组，基本会从simcom、移远等大的模块厂家采购成品模块，模块指标的测量也仅是模块厂家考虑的问题，与大部分物联网企业无关。

Wifi、蓝牙因为距离近，可以先不测，NB-lot技术距离远近基站更主要，也不用测，针对测试需求最大的sub-GHz OOK,FSK,LORA，如何测试呢？

 

2、灵敏度和功率通用测试方法

 

先看一下射频功率和接收灵敏度的定义：

功率的定义：最大输出功率是指发射机在一个射频周期内供给传输线的平均功率。

灵敏度的定义：在规定的测试频率和调制方式下，当接收机误码率小于或者等于规定值时，接收机天线端口的输入信号功率大小。

  

 图1 分别使用频谱仪、功率计以及带有功率计功能的综测仪测量信号功率

 

常规的功率测试一般使用功率计或频谱仪， 功率计测量的优点是准确，特别在其他一些射频应用场景，例如大功率（大于100W）测量、驻波比测量等方面更加方便和准确。但功率计只能测量连续波，对脉冲波只能测量其峰值或均值，不能全面反映真实发射功率水平，所以对于OOK调制，功率计不能用。

频谱仪是最常用的射频测量仪器，通过调整合适的带宽（RBW、VBW）及触发方式，可以测量各种调整方式的功率，除此之外还可以观测信号质量，如杂散、谐波等更丰富的信息，但频谱仪适合用于研发，在生产线上应用不太方便，不太适合自动化测试（不扩展开讨论）。

图2 频谱仪还常用于分析信号质量

 

具有功率计功能的综测仪是比较适合产线上使用，编程和读数都较直观，方便产线上配合自动化测试软件使用。当然即使不用自动化软件，工人操作也是很简单的。

物联网行业常用的sub-GHz频段较低，测试时都可编程成连续波模式，针对这种测量的检波芯片较成熟，可以针对的设计一款检波器用于功率测量，其中难点在于检波器的校准比较繁琐。

对于接收灵敏度的定义和测量方法，我们再照本宣科的学习一遍：

概述

在规定的测试频率和调制方式下，当接收机误码率小于或者等于规定值时，接收机天线端口的输入信号功率大小。

测量方法

有用信号发生器选用能够产生规定的信号的信号发生器，并能输出数据序列供误码评定设备比对，被测设备应提供解调输出数据接口。

测试步骤如下：

a)  设置接收机接收频率为测试频率，开启有用信号发生器1，根据选定的测试频率，设置信号发生器输出标准测试信号

b)  调整有用信号发生器输出功率，使得接收机的误码率小于或者等于5×10-2时，记下此时的接收机天线端口输入信号功率大小；

c)  步骤b)所记录的功率即为静态灵敏度，用dBm为单位表示

 

 图3 灵敏度测试示意框图

 

一般信号源要发的数据是我们预设好的，是我们已知的，所以误码率的判决也是接收机里的处理器做判决，一般是接收模块上的单片机将接收的数据和预设的已知的数据做对比，将结果通过串口（网口）发到PC机上进行显示，测试人员根据PC机上显示的结果判断误码情况，不严格的时候还会简化一下操作，单片机将误码情况用LED闪烁来表示，收的正确的数据就闪烁，收不数据就不闪烁。

灵敏的测试的关键就是信号源，一般带有调制功能的信号源，灵活一点的用矢量信号源。矢量信号发生器的优点是精度高、最灵活、可以通过编程改版改变信号源各种调制信息和参数，简单的如成型滤波器参数、码率、码型，甚至可以模拟出多径效应、多普勒效应，模拟最真实的通信情况，通过各种设置找出最优的接收方式。缺点是贵，操作也较复杂，不适合产线应用。

 

图4 使用矢量信号源进行灵敏度测试

图4 对矢量信号源进行设置

 

 

3、灵敏度底成本简化测试方法

 

针对物联网行业，安捷伦（是德）也给出了低成本的方案，这个方案成本低一些，但挺麻烦的，一般不太熟悉的需要调几次才能弄好，特别是没有其他信号源做对比时，弄不清到底调好没有。 就是说你搭建起测试环境后，信号出来了，你可能不知道你出来的信号是不是你想要的信号，比如，你想产生1k频偏的FSK信号，但实际产生的信号是1k频偏还是0.5k频偏？是不太好保证的，因为调制基带是模拟信号，最终产生的信号是与好几个参数设置有关系的，不是对仪器使用很熟悉的工程师，容易出错。当然，如果有一台信号分析仪（带分析仪功能的频谱仪或综测仪）来分析产生的信号，这样就知道是不是我们想要的信号了，但这个过程同样有些麻烦，而且，带有信号分析仪也售价也不便宜。

当然，如果使用的是LORA制式，这个方案是不支持的。

 

当然最直接的就是选正好为这种应用设计的仪器，使用无线综测仪。

 

 图5 安捷伦的低成本解决方案

 

我也使用过以上方案搭建了一个测试环境，当然使用的信号源不是和上面的一模一样，只是使用这种方式，经过反复调节参数，对比标准仪器，可以使灵敏度测试误差小于2dbm。详细测试数据不展开了，有兴趣的联系我进行讨论。

 

图6 针对物联网无线测试的综测仪

 

最简单和低成本的方案是使用专用的综测仪，操作会比较简单，成本也低，性能比矢量信号源要差一点。测功率是很准的，因为测功率是相对容易的。

 

图7综测仪测试发射功率

 

 

射频发射功率测试

操作方法：

1、通过同轴线缆连接待测设备至综测仪RF2端口

2、菜单选择功率测试界面

3、使待测设备处于发射状态（可以带调制）

4、综测仪读出测试结果

--综测仪背面有编程接口，支持产线自动化测试 

 

图8综测仪测试接收灵敏度

接收灵敏度测试

操作方法：

1、通过同轴线缆连接待测设备至综测仪RF1端口

2、菜单选择灵敏度测试界面，设置信号频率、调制参数、数据源

3、先设置一个较强的功率值（例如：-50dbm）确保待测设备可以接收到数据并指示出来，逐步降低功率值，直到待测设备不能正确接收数据。

4、综测仪读出测试结果（最小能使待测设备正常接收的信号功率值）

注1：待测设备需要提前进行编程，当接收到有效数据后发出指示（可以是简单的指示灯闪烁，或是将误码率结果打印出来）

--综测仪背面有编程接口，支持产线自动化测试

 

很希望认识做这一块的朋友

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