新型射頻儀器助力物聯(lián)網(wǎng)測(cè)試分析和產(chǎn)品設(shè)計(jì)

最近工信部發(fā)布了物聯(lián)網(wǎng)十二五規(guī)劃，預(yù)示物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)作為新興戰(zhàn)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(yùn)行的標(biāo)準(zhǔn)化無(wú)線設(shè)備和技術(shù)(如藍(lán)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)線通訊中的功耗，設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)的工程師可以考慮使用各國(guó)規(guī)定的其它頻段(例如900MHZ, 779MHZ, 433MHZ, 315MHZ等等)。

當(dāng)我們的工程師和設(shè)計(jì)人員，設(shè)計(jì)物聯(lián)網(wǎng)相關(guān)產(chǎn)品的時(shí)候，我們?cè)瓉?lái)熟悉和使用的一些儀表例如普通示波器，數(shù)字信號(hào)發(fā)生器和函數(shù)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(duì)幾百著到數(shù)千兆高頻微波射頻信號(hào)時(shí)，很難發(fā)揮作用，需要改用高頻和頻域的高級(jí)儀器，例如射頻頻譜儀，射頻信號(hào)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(tái)幾萬(wàn),甚至每臺(tái)高達(dá)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(lán)牙,WIFI等等不同通訊協(xié)議)這些協(xié)議棧根據(jù)不同的通訊標(biāo)準(zhǔn)，由軟件實(shí)現(xiàn)，最終實(shí)現(xiàn)不同網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，路由器，網(wǎng)關(guān)之間的通訊。對(duì)于無(wú)線通訊而言，大量的通訊數(shù)據(jù)是以不同的數(shù)據(jù)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)，摸不著的數(shù)據(jù)包裝，才能有效的實(shí)現(xiàn)對(duì)通訊協(xié)議驗(yàn)證和查錯(cuò)，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(jié)點(diǎn)等，都需要在很小的電池下，能夠長(zhǎng)時(shí)間工作，測(cè)量和監(jiān)視這些微功耗狀態(tài)也是很重要的一項(xiàng)工作，因?yàn)闉榱斯?jié)省耗電，這些節(jié)點(diǎn)通常都是處于瞬間工作狀態(tài)，于是，測(cè)量這些節(jié)點(diǎn)的長(zhǎng)周期，瞬間功耗和自動(dòng)化記錄分析，也成為一項(xiàng)復(fù)雜的工作，需要有專門的儀器來(lái)承擔(dān)。

正式根據(jù)物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)品設(shè)計(jì)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(xiàn)了，這就是由無(wú)線龍科技集團(tuán)設(shè)計(jì)的IOTA-1100系列物聯(lián)網(wǎng)綜合測(cè)試儀，該儀器在一臺(tái)儀器中，同時(shí)實(shí)現(xiàn)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(yīng)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(shù)字化分析檢測(cè)設(shè)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?shù)臄?shù)據(jù)包裝，其中對(duì)符合IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)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(duì)于其它通訊標(biāo)準(zhǔn)的采集和分析，可以采用不同的協(xié)議擴(kuò)展模塊來(lái)實(shí)現(xiàn)。

圖一是一個(gè)兩組不同ZIGBEE 傳感器節(jié)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(xiàn)的這個(gè)多窗口畫(huà)面，每個(gè)窗口分別具有空中數(shù)據(jù)包裝采集顯示，空中包裝時(shí)間流程顯示，包裝內(nèi)容解析，網(wǎng)絡(luò)拓?fù)滹@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(nèi)部的2.4GHZ無(wú)線多通道2.4GHZ采集射頻電路和天線，實(shí)施多通道自動(dòng)掃描，如果在空中發(fā)現(xiàn)符合ZIGBEE標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)包裝，就會(huì)自動(dòng)完成空中包裝采集和自動(dòng)存儲(chǔ)和顯示這些數(shù)據(jù)。

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(jié)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(nèi)部高速嵌入式電腦的自動(dòng)采集和包裝和分析等復(fù)雜算法，在網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浯翱?，我們可以?shí)時(shí)觀察到這兩個(gè)獨(dú)立網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行情況和拓?fù)淝闆r，蘭色的網(wǎng)絡(luò)由一個(gè)協(xié)調(diào)器，2個(gè)路由器，一個(gè)終端節(jié)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(diào)者，2個(gè)路由器和2個(gè)終端節(jié)點(diǎn)組成一個(gè)獨(dú)立的無(wú)電池?zé)o線傳感器網(wǎng)絡(luò)。

在包裝采集的窗口內(nèi)，我們可以詳細(xì)了解每個(gè)數(shù)據(jù)包裝的格式內(nèi)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(xiàn)多個(gè)射頻通道相互獨(dú)立的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的透明化監(jiān)控和實(shí)時(shí)分析。

圖1：2個(gè)獨(dú)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(cè)試和分析

為了增強(qiáng)物聯(lián)網(wǎng)傳感層的覆蓋范圍，我們?cè)谠O(shè)計(jì)中往往需要為無(wú)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(cè)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(cè)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(nèi)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(biāo)準(zhǔn)的50歐姆射頻插頭，可以實(shí)現(xiàn)射頻信號(hào)的輸出和輸入，內(nèi)置的軟件可以實(shí)現(xiàn)高達(dá)2.45GHZ的射頻頻譜儀和射頻信號(hào)發(fā)生器功能，(使用選擇功能模塊可以高達(dá)5.8GHZ)。

圖二是一個(gè)測(cè)試接收放大器和發(fā)射放大器的測(cè)試演示

圖2：射頻放大器測(cè)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)線模塊的的電路板(綠色和蘭色)，實(shí)際測(cè)試時(shí)候，只能選擇對(duì)其中一個(gè)板子連接和實(shí)際測(cè)試和調(diào)試。

首先，我們測(cè)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)線收發(fā)器輸出)，將輸出信號(hào)調(diào)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(shè)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(hào)，可以采用波形顯示或者同時(shí)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(jí)數(shù)值功能;通過(guò)射頻信號(hào)發(fā)生器和頻譜儀，我們可以測(cè)試功率發(fā)生器的各種射頻參數(shù)，對(duì)放大器相關(guān)輸出阻抗，功率，噪聲等，進(jìn)行調(diào)整，完成一個(gè)高質(zhì)量功率放大器調(diào)試和測(cè)試過(guò)程;

對(duì)低噪聲放大器測(cè)試調(diào)試(圖二蘭色電路板)的測(cè)試和調(diào)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(xiàn)對(duì)低噪聲放大器這樣高難度射頻傳感器模塊的測(cè)試調(diào)試工作。

三、其它功能和擴(kuò)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(biāo)準(zhǔn)配置，可以實(shí)現(xiàn)傳感器節(jié)點(diǎn)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(dòng)化測(cè)試。

同時(shí)，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(hào)發(fā)射功能模塊，射頻網(wǎng)絡(luò)分析儀功能模塊，RF4CE，藍(lán)牙4.0和藍(lán)牙微功耗，3G/4G射頻電訊網(wǎng)絡(luò)等模塊等，

四、小結(jié)

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)發(fā)展，必然需要相適應(yīng)的測(cè)量?jī)x器和分析儀器和設(shè)計(jì)工具來(lái)支持，物聯(lián)網(wǎng)分析儀這類儀器的出現(xiàn)，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(shè)計(jì)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(shè)計(jì)周期，為技術(shù)開(kāi)發(fā)人員和工程師，提供了更多的設(shè)計(jì)工具和儀器選擇。

相信這些新型儀器和各種新型設(shè)計(jì)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(zhǎng)。