從基帶到射頻的物聯(lián)網(wǎng)測(cè)試

　　物聯(lián)網(wǎng)（IoT）已經(jīng)是持續(xù)了一些年的一個(gè)熱詞，智能家居產(chǎn)品的研制在國(guó)內(nèi)外也開始轟轟烈烈地行動(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(xiàn)“聯(lián)”，更確切地說叫“無(wú)線連接”。為了實(shí)現(xiàn)適于這些應(yīng)用所需要的“無(wú)線連接”，與此相關(guān)的RFID， NFC， WiFi， BlueTooth， ZigBee， Z-Wave 等短距離的無(wú)線通訊技術(shù)和新標(biāo)準(zhǔn)種類繁多，層出不窮。搜集，總結(jié)了一些當(dāng)今主要的無(wú)線連接技術(shù)的應(yīng)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?shù)臒o(wú)線網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，從下到上分別為物理層（PHY）、媒體訪問控制層（MAC）、傳輸層（TL）、網(wǎng)絡(luò)層（NWK）、應(yīng)用層（APL）等。其中物理層和媒體訪問控制層遵循IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定，這是一種具有經(jīng)濟(jì)、高效、低數(shù)據(jù)速率（《250kbps）、工作在2.4GHz（全球）和868（歐洲）/915MHz（北美）的無(wú)線技術(shù)。不同頻段的信道數(shù)量和信道帶寬也各不相同；調(diào)制技術(shù)也不同：868MHz和915MHz頻段采用的是BPSK調(diào)制技術(shù)，2.4GHz頻段采用的是OQPSK調(diào)制技術(shù)。

　　 與ZigBee類似的標(biāo)準(zhǔn)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(jù)了強(qiáng)勢(shì)地位，主流廠商都加入了這個(gè)陣營(yíng)，大有難以撼動(dòng)之勢(shì)。它具有低成本、低功耗、高可靠、適于網(wǎng)絡(luò)的短距離無(wú)線通信技術(shù)。工作頻帶為908.42MHz（美國(guó)），868.42MHz（歐洲），采用FSK（BFSK/GFSK）調(diào)制方式，數(shù)據(jù)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(guī)矩”？

　　EnOcean是世界上唯一使用能量采集技術(shù)的無(wú)線國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)。通過采集周圍環(huán)境產(chǎn)生的能量，比如機(jī)械能，室內(nèi)的光能，溫度差的能量等，把這些能量經(jīng)過處理以后，供給EnOcean超低功耗的無(wú)線通訊模塊，實(shí)現(xiàn)真正的無(wú)數(shù)據(jù)線，無(wú)電源線，無(wú)電池的通訊系統(tǒng)。與同類技術(shù)相比，功耗最低，傳輸距離最遠(yuǎn)，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(diào)制技術(shù)，每個(gè)無(wú)線電信號(hào)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(biāo)準(zhǔn)。

　　標(biāo)準(zhǔn)可謂種類繁多，從物理層到7層協(xié)議的若干層都具有不同的規(guī)定。高層的測(cè)試可以通過相關(guān)的協(xié)議分析儀或者價(jià)格敏感的用戶可以通過軟件進(jìn)行測(cè)試。這里我們集中討論有關(guān)物理層的測(cè)試。即使是無(wú)線連接的物理層，這些不同的標(biāo)準(zhǔn)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(diào)制方式，比如ASK，F(xiàn)SK，OQPSK等等。當(dāng)然，基帶的處理也各不相同，接下來(lái)就說說從基帶到射頻的物聯(lián)網(wǎng)測(cè)試。

　　不同頻率的射頻收發(fā)模塊加上基帶處理是這類產(chǎn)品的主要組成部分，已經(jīng)被廣泛地應(yīng)用在這些領(lǐng)域，比如：無(wú)線報(bào)警，無(wú)線抄表，安全系統(tǒng)，工業(yè)監(jiān)測(cè)和控制，智能穿戴，智能家居，智能物流，智能停車場(chǎng)，遙控，玩具等等各種物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用中。在國(guó)內(nèi)，研發(fā)，生產(chǎn)這類產(chǎn)品的廠家也非常多。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(duì)這類產(chǎn)品從基帶到射頻的測(cè)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，都是著名的被廣泛應(yīng)用于無(wú)線收發(fā)模塊上的芯片。這些芯片可以方便地與MCU或FPGA等構(gòu)成各種滿足不同應(yīng)用的產(chǎn)品，它的主要特點(diǎn)如下：

　　 2.4GHz 全球開放ISM 頻段免許可證使用

　　工作速率可調(diào)，最高工作速率達(dá)2Mbps左右

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

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

　　內(nèi)置硬件CRC 檢錯(cuò)和點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)通信地址控制

　　輸出功率可程控

　　接收靈敏度高，可達(dá)-80dBm 左右，甚至更低電平

　 通過SPI等接口完成數(shù)據(jù)的交換，包括數(shù)據(jù)的發(fā)送，數(shù)據(jù)的接收。

　　這類芯片的內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示：

　　圖1：收發(fā)芯片內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖（摘自TI數(shù)據(jù)手冊(cè)）

　　圖2是基于TI和NORDIC芯片的2.4GHz無(wú)線收發(fā)模塊，下面我們就針對(duì)這類產(chǎn)品討論一下測(cè)試的方法。

　　圖2：常見的2.4GHz無(wú)線收發(fā)模塊

　　針對(duì)這類產(chǎn)品的研發(fā)，生產(chǎn)測(cè)試，通常會(huì)需要用到以下的測(cè)量?jī)x器：

　　 頻譜分析儀，測(cè)量分析發(fā)射信號(hào)的頻譜，比如DSA832或DSA875;

　　 帶數(shù)字調(diào)制功能的射頻信號(hào)源，模擬產(chǎn)生帶GFSK等調(diào)制的信號(hào)，測(cè)試模塊的接收性能，比如DSG3030-IQ或DSG3060-IQ；

　　 四通道數(shù)字示波器，用于測(cè)試SPI總線和基帶信號(hào)等，比如DS/MSO4000系列。

　　 直流電源提供直流供電，比如DP832，DP831等；

　　這類產(chǎn)品的收發(fā)性能測(cè)量的設(shè)置如圖3所示，如果這些東西都湊齊了，我們就可以對(duì)這類產(chǎn)品開始從基帶到射頻，從數(shù)字到模擬的微測(cè)了。

　　圖3：模塊的收發(fā)性能測(cè)量的設(shè)置

　　這類應(yīng)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總線對(duì)模塊進(jìn)行配置，控制，并傳送發(fā)射或接收的數(shù)據(jù)的，我們可以使用帶SPI總線的觸發(fā)和解碼功能的數(shù)字示波器，比如DS4054或MSO4054對(duì)SPI總線進(jìn)行測(cè)試，以便驗(yàn)證實(shí)際的通信信號(hào)是否正確。SPI規(guī)范所定義的讀寫操作的時(shí)序如下：

　　圖4：SPI總線的讀操作

　　圖5：SPI總線的寫操作

　　下面我們就通過DS4054對(duì)一個(gè)產(chǎn)品進(jìn)行實(shí)測(cè)一下，首先設(shè)置示波器的SPI總線的觸發(fā)條件，如果你的示波器沒有這種專門的觸發(fā)功能，就費(fèi)勁了。可設(shè)置成觸發(fā)在當(dāng)SPI的MOSI或MISO在傳送一個(gè)特定數(shù)據(jù)出現(xiàn)時(shí)，比如，觸發(fā)在當(dāng)傳送00010111時(shí)觸發(fā)，如果沒有出現(xiàn)，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(xiàn)，就會(huì)出現(xiàn)圖6所示的顯示：

　　圖6：在DS4054上設(shè)置SPI總線的觸發(fā)

　　一旦觸發(fā)條件中所設(shè)置的數(shù)據(jù)出現(xiàn)在SPI總線上時(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(shù)據(jù)的具體內(nèi)容。熟悉幀結(jié)構(gòu)的工程師可以自己數(shù)，自己“解碼”，這是個(gè)費(fèi)神的活兒。還是借助示波器的自動(dòng)解碼功能吧，通過SPI解碼功能，可以自動(dòng)顯示出每幀的具體內(nèi)容，以不同進(jìn)制的格式顯示，直接看結(jié)果，就能判斷傳送的數(shù)據(jù)是否有錯(cuò)，一旦出現(xiàn)錯(cuò)誤，可以分析是軟件錯(cuò)誤還是信號(hào)失真或干擾導(dǎo)致的錯(cuò)誤。圖7就是通過SPI總線的自動(dòng)解碼功能，顯示出幀的具體內(nèi)容。

　　圖7：DS4054對(duì)SPI總線的解碼設(shè)置和顯示

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