新型射频仪器助力物联网测试分析和产品设计 射频仪器技术指标

最近工信部发布了物联网十二五规划，预示物联网技术作为新兴战略产业将会获得迅速发展；在物联网涉及的关键技术中，无线技术是其中一个非常重要的技术领域,无论是在传感层各种传感器之间的组网和通讯或者网络层各种网关,路由器之间的通讯，都涉及到各种无线通讯的技术的方方面面。

我们知道，物联网使用的无线技术涉及到非常高的通讯频率和比较宽阔的频谱范围，例如在2.4GHz上运行的标准化无线设备和技术(如蓝牙4.0、ZigBeePRO、WiFi) ，这个频率几乎可以方便的用于世界上任何地方。然而，为了改进大楼穿透力和传输距离、降低各种干扰、减少无线通讯中的功耗，设计开发的工程师可以考虑使用各国规定的其它频段(例如900MHZ, 779MHZ, 433MHZ, 315MHZ等等)。

当我们的工程师和设计人员，设计物联网相关产品的时候，我们原来熟悉和使用的一些仪表例如普通示波器，数字信号发生器和函数发生器，万用表等，由于基本上是低频和时域的仪器，在面对几百着到数千兆高频微波射频信号时，很难发挥作用，需要改用高频和频域的高级仪器，例如射频频谱仪，射频信号发生器，射频网络分析仪等，这些仪器目前市面上很多，但是共同的特点是非常昂贵，动辄每台几万,甚至每台高达几十万元。

另外一方面，物联网技术中,除了涉及比较高的频率和比较宽阔的频谱范围,还涉及到各种不同的通讯协议栈,(包括ZIGBEE, IEEE802.15.4, 蓝牙,WIFI等等不同通讯协议)这些协议栈根据不同的通讯标准，由软件实现，最终实现不同网络节点，路由器，网关之间的通讯。对于无线通讯而言，大量的通讯数据是以不同的数据包，在空中传输，这就要求有一种特殊的高频仪器来采集和分析这些在空中传输,但是我们看不见，摸不着的数据包装，才能有效的实现对通讯协议验证和查错，提高软件协议栈开发效率。

还有就是作为物联网的电池节点等，都需要在很小的电池下，能够长时间工作，测量和监视这些微功耗状态也是很重要的一项工作，因为为了节省耗电，这些节点通常都是处于瞬间工作状态，于是，测量这些节点的长周期，瞬间功耗和自动化记录分析，也成为一项复杂的工作，需要有专门的仪器来承担。

正式根据物联网产品设计和技术开发的这种实际需要，一种新型射频仪器出现了，这就是由无线龙科技集团设计的IOTA-1100系列物联网综合测试仪，该仪器在一台仪器中，同时实现了上述4个方面的需求，下面，我们来简单介绍一下这种新型仪器的简单实际应用。

一 空中协议分析仪功能

空中协议分析仪是一种先进的数字化分析检测设备，可以采集和分析不同的物联网和传感器网络的通讯协议在空中传输的数据包装，其中对符合IEEE 802.15.4标准的物联网传感器网络网络的采集和分析，是物联网综合分析仪空中协议分析仪的一个基本配置功能；对于其它通讯标准的采集和分析，可以采用不同的协议扩展模块来实现。

图一是一个两组不同ZIGBEE 传感器节点分析采集的样板，我们通过这个样板来来看看如何使用空中协议分析仪的基本功能。

首先，我们选择进入物联网综合分析仪上的空中协议分析功能（IEEE802.15.4协议分析仪功能）。看到屏幕上出现的这个多窗口画面，每个窗口分别具有空中数据包装采集显示，空中包装时间流程显示，包装内容解析，网络拓扑显示等多种功能。

启动分析仪自动采集命令，分析仪会自动通过内部的2.4GHZ无线多通道2.4GHZ采集射频电路和天线，实施多通道自动扫描，如果在空中发现符合ZIGBEE标准的数据包装，就会自动完成空中包装采集和自动存储和显示这些数据。

图一所示两个ZIGBEE网络，一个是采用电池供电的微型模块组成的ZIGBEE网络，由4个模块组成，包括网关，路由器和节点（兰色），另外一个是由5个能量收集模块组成ZIGBEE微型传感器网络（绿色），通过分析仪内部高速嵌入式电脑的自动采集和包装和分析等复杂算法，在网络拓扑窗口，我们可以实时观察到这两个独立网络运行情况和拓扑情况，兰色的网络由一个协调器，2个路由器，一个终端节点组成网状网络；另外一个能量收集网络（绿色）由一个协调者，2个路由器和2个终端节点组成一个独立的无电池无线传感器网络。

在包装采集的窗口内，我们可以详细了解每个数据包装的格式内部信息，加入网络和网络路由的等网络自组织的各种信息，了解网络流量和繁忙情况，网络可靠和健康状态，实现多个射频通道相互独立的无线传感器网络的透明化监控和实时分析。

图1：2个独立的ZIGBEE传感器网络空中协议采集和分析演示

二 射频放大器电路测试和分析

为了增强物联网传感层的覆盖范围，我们在设计中往往需要为无线传感器片上系统（SoC）添加各种射频放大器，由于这些放大器工作在315MHZ到2.4GHZ的微波射频频段，测试和分析需要使用到昂贵的射频频谱分析仪，为了方便工程师使用低成本的测试开发工具，物联网分析仪配备了不同的频谱分析仪模块，供工程师使用。由于是功能共同使用物联网分析仪内部的嵌入式电脑和彩色LCD显示和触摸屏，所以整体仪器增加成本不是很高。

物联网分析仪有2个标准的50欧姆射频插头，可以实现射频信号的输出和输入，内置的软件可以实现高达2.45GHZ的射频频谱仪和射频信号发生器功能，（使用选择功能模块可以高达5.8GHZ）。

图二是一个测试接收放大器和发射放大器的测试演示

图2：射频放大器测试开发配置示意图

图二中有两个传感器网络无线模块的的电路板（绿色和兰色），实际测试时候，只能选择对其中一个板子连接和实际测试和调试。

首先，我们测试发射放大器（图二绿色电路板），这一般是功率放大器，我们将分析仪射频输出电缆连接在绿色电路板的输入端（断开无线收发器输出），将输出信号调整到我们需要的频率（300MHZ ,433MHZ,900MHZ,2.45GHZ等），将输出端（天线端）连接到分析仪接收电缆，将分析仪设置为频谱接收状态，我们可以在分析仪上观察到射频频谱信号，可以采用波形显示或者同时采用密度显示，还有观察到最大频谱轨迹，平均频谱轨迹等高级数值功能；通过射频信号发生器和频谱仪，我们可以测试功率发生器的各种射频参数，对放大器相关输出阻抗，功率，噪声等，进行调整，完成一个高质量功率放大器调试和测试过程；

对低噪声放大器测试调试（图二兰色电路板）的测试和调试，只需要分别将分析仪输入输出端进行不同射频连接，同样可以容易方便实现对低噪声放大器这样高难度射频传感器模块的测试调试工作。

三、其它功能和扩展功能模块

IOTA-1100物联网分析仪还具备微功耗分析仪功能，并作为标准配置，可以实现传感器节点等在瞬间功率不同状态下连续记录和功耗，平均电流，最大电流等参数自动化测试。

同时，系列新功能的选择模块将陆续加入该仪器的选择配置，选择配置将包括HF和UHF RFID分析功能模块，5.8GHZ频谱仪功能模块和信号发射功能模块，射频网络分析仪功能模块，RF4CE，蓝牙4.0和蓝牙微功耗，3G/4G射频电讯网络等模块等，

四、小结

物联网技术发展，必然需要相适应的测量仪器和分析仪器和设计工具来支持，物联网分析仪这类仪器的出现，将加快射频微波技术普及和方便技术开发人员加速产品设计和加快产品上市的步伐，也可以帮助企业缩短物联网产品开发设计周期，为技术开发人员和工程师，提供了更多的设计工具和仪器选择。

相信这些新型仪器和各种新型设计工具的发展，能够助力物联网产业更加迅速的成长。 概览

现代射频仪器具有远远超过其前代产品的令人印象深刻的测量能力和精度。然而，如果不能提供高品质的信号，这些仪器就不能充分发挥其潜能。完备的测量方法和注意事项可以保证您能够充分获取在射频仪器上投资的收益。

获得可靠的射频测量

射频测量通常在理论上很简单，但付诸实施的时候却困难重重。您能够很容易地从当代射频仪器所提供的广泛测量手段中获得核心的射频测量结果，例如功率，频率和噪声。但是，获得结果与获得正确结果则有着天壤之别。通过在您的整个射频测量过程中执行较优方法，您可以确保一个可靠、精确并且可重复的结果。

理解专业术语

例如精度、可重复性、分辨率和不确定性这些专业术语经常在各种各样的射频应用中被混杂和误用，从而增加了混乱，减少了测量的可信性。在进行射频测量时理解一些关键的专业术语和它们的适用环境是必要的。

例如，当想要在相近刻度上辨明正确的读数时，仪器上的数字显示会比模拟的测量仪表更容易使用。然而，即使数字显示对一次测量给出了小数点后的三位数字，你也不能推断出该仪器及其测量的分辨率和精度。

因为显示给出千分之一分贝的功率或分数赫兹的频率并不意味着该仪器具有测量这些细微变化的能力。通常这些显示的位数远远超过了仪器在这一水平的测量能力。要充分了解一个射频仪器的测量能力，往往要参考说明书或数据表。

前后一致的定义可以减少您测量中可能出现的混淆。以下是您在使用中会经常看到的一些关键术语：

· 分辨率 － 仪器所能可靠检测到的最小改变
· 重复性 －在同样条件下多次进行同一测量获得相同结果的能力
· 不确定性－对被测量的准确值缺乏认知部分的量化
· 精度－ 仪器 在一定误差范围内测量一个参数实际/绝对值的能力

不确定性是始终存在的，对误差来源的评估可以帮助确定测量的不确定度。除上述外，还有一些相关术语在依据美国国家标准与技术研究所（NIST）或其它标准机构的说明文件来描绘性能时会有用。 可描述性是保证所有的测量器件有一个共同的绝对基准所必须的。所谓“规范”是指保证性能由校准溯源到NIST的测试设备产生。“典型”往往意味着性能是百分之百测试，但不包括测量不确定因素。“象征性”的表现通常是补充信息，不是在每个仪器上的普遍测量。

精度是仪器在规定的误差范围内测量参数绝对值的能力。换句话说，X加减Y，没有误差限制（和单位）一个34的测量值是没有意义的。同样地，一个5的误差说明也是没有用的，甚至一个百分之五的误差说明也几乎没有帮助。那到底是正或负百分之五，还是正百分之三和负百分之二？为了准确，精度应该像这样规定，例如34 V +/- 1 V, 34 V +/- 1%, 或 34 V +2/-1 V。

请多花时间了解射频测量的术语并熟悉它们的意义。您关于测量的表达越准确，结果就越利于理解也越可信。

了解你的被测试装置

被测试装置(DUT)的性能会显著影响射频测量。例如，温度会影响稳定性，并因此与可重复性密切相关。许多射频器件和射频仪器没有对温度变化的内部补偿。因此，它们必须在稳定的温度下工作以使温度漂移引起的测量误差最小。当前的环境（例如，空调循环的开启与关闭，覆盖物和面板的移除或增加，处于户外或室内，以及是否接近热源）会有很大影响。需要注意适当的预热时间、被测试装置的冷却需求和周边的环境以确保温度稳定性。

在有源器件中，过高的功率会导致发热。例如，在测试高功率放大器时，被测试器件本身可以保持温度稳定，但是下游组件会怎么样呢？看看是否有开关或衰减器因为放大器的输出而被加热。寻找由放大器产生的异常信号，例如谐波。电源线容易受到可直接叠加到输出的环境噪声的影响。而且，测量放大器的线性参数（增益和相位），随后却发现放大器同时处于被压缩状态是令人沮丧的。所有这些都影响了射频测量的精度。在器件被测试前对其本身、其运作方式以及它对射频测量参数的影响进行了解，会得到有意义的结果。

识别出现不确定性的方面

仅仅匹配射频测试设备的数据表格说明与被测试装置的测试要求是不够的。这在更高频率或者失配的射频测量中尤其明显，除其它外，还有放大不确定性。在测量的每个步骤中引入的误差会使总体结果出现偏差。当一个不正确的测量结果出现时，你应该在质疑被测量装置存在问题之前首先怀疑测量出现错误。

请在测量过程中了解仪器仪表以及被测试装置的关键操作规范。在其它规范中，了解匹配，频率响应，噪声系数和功率。同时，也要了解这些参数的容许误差。请记住如下要素：

· 射频开关重复性，老化和功率处理
· 耦合器的指向性，电缆的相稳定性以及适配器的插入损耗和回波损耗
· 电路板线路的阻抗质量，器件插座和电路板的开关转换
· 测量中的电磁干扰（EMI）辐射和耦合

一些通常没有被认真考虑的项目，例如冷却、谐波、激励以及其他非线性行为也能够增加测量中的误差。审视整个测试设备并确定每一块的误差分布以获得对预期测量不确定性的实际评价。找出误差原因和它们对精度、重复性和不确定性的影响。这可以得到更好的结果，使您能更加有效和有意义地分配预算和资源。

注意所有的连接和组件

开发、设计、测试以及将产品推广到市场这一系列的花费是一笔相当大的投资。一个公司的成败与否取决于产品的性能。在高性能的射频测试设备上的支出是有重要意义的，因为这能够表明产品达到或超过与市场份额挂钩的关键技术要求。此外它还代表了一种竞争优势和公司收入的主要增加来源。

然而，仅有一个高性能的，昂贵的，经过良好校准的测试系统和同样性能显著的被测试器件是不够的，还应该对被测试器件测试系统中的附属连接和组件的质量和重复性给予同等的关注。也许在关键的技术指标上十分之一或二的改进都是一个有竞争力的优势。在大多数标准下，源和负载的匹配（驻波比）为1：1.5是不错的，但是这种程度的匹配将引入一个错误的（大约）为+/-0.35分贝的失配不确定性。一个0.2分贝的关键技术指标不可能在这么多的不确定性影响下得到证明。

容易忽视的项目例如电缆、开关、衰减器、连接器、插座、适配器和附件会不利于整个测量。从需要的精度出发，然后选择适合测量的组件。一个好的经验法则会使测试系统性能十倍于你正在测试的被测试装置的参数。

有了一个高品质信道，下一步是要采用好的测量方法。请确保你正确清洁和存放电缆、连接器和适配器。即使是可以的电缆和连接器失效了，也要放弃对它们的使用，它们是测试过程中的耗材。采取措施，尽量减少适配器的使用，确保扭矩扳手和连接规格按常规使用以使热切换最小。请记住正确的静电放电（ESD）做法。即使测试系统间最高品质的元件和被测试装置的级联也可以引入测量误差。

为作业选择适当的工具

需要测量哪些参数和需要达到怎样的精度水平很大程度上决定了测试被测装置所需要选择的射频设备。可以的选择是一个安全的策略，但它会浪费你能够用于测量其它方面的预算资源。如果射频功率是要测量的唯一量，一个射频功率计可能是比一台矢量信号分析仪更理想的选择。

标量仪器只测量幅度（振幅），而矢量仪器测量幅度和相位。即使不需要测量相位，也要考虑到矢量工具可以提供更好的误差更正，因为相位信息可以用来量化系统中不需要的反射。

将价格与性能等同并不是在购买射频仪器时应遵循的较佳法则。一台高质量的扫频调谐光谱分析仪将花费你大量的预算。尽管它们在已有的测量用途上是优秀的测量仪器，具有典型的± 1分贝或更低的测量精度，但它们却难以达到测量绝对射频功率的要求。同样，如果使用的仪器具有-140 dBm/Hz的本底噪声，那么它也很难测量出被测装置上-155 dBm/Hz的本底噪声。

请为每项作业考虑合适的工具。为精度和不需要的测量付出太多不仅是对金钱和资源的浪费，它限制了用于例如对测量质量更有利的电缆和开关等其它方面的资金。

开发流程

一旦你确定并执行了较优方法，就要使它们逐步成为能够在团体间清楚理解和交流的惯例或流程。这能够使射频测量结果具有更好的重复性和一致性。

例如，一个关于流程的常见问题是“我应该多久校准一次？”许多射频仪器往往是对环境变化敏感的。如果是这样的话，更经常的校准可能是必要的。高精度的要求可能也需要更频繁的校准。无论如何，对射频校准的要求必须时刻牢记，并要将其作为严格遵守的流程。

整个设计、验证、测试和制造阶段的流程能够影响射频测量性能。考虑哪些操作参数需要验证，哪些应该在制造中测试，以及影响射频测量精度、重复性和不确定性的上游和下游工序（例如，返工，焊接，装配和屏蔽）。

流程对于获得并执行良好的射频方法很重要。这有利于良好方法的常规学习和标准化。在产品寿命周期内始终如一地遵循已建立的流程对射频参数以及对它们的正确测量能够产生重大的影响。

提高射频测量的质量

进行射频测量可以很容易；然而，要做好就比较有挑战性。使用健全的方法并且在测量过程中找出它们可以提高射频测量的品质。有许多方法可以确定和执行较优方法。改进射频测量是一个获得认知和付诸实践的连续过程。本文介绍的步骤有助于建立一种体系来提高射频测量技术并充分利用您的射频测试仪器。

正确使用射频仪器避免不必要的故障

　　射频仪器如若使用不当也会对工作造成很大的影响，那么如何正确使用才能避免不必要的故障出现呢？下面一一为大家讲解：

　　一、电源故障造成的不开机

　　与示波器类似，射频仪器内部有独立的电源模块为主板和各功能模块供电，故需着重关注用电安全。

　　使用中需注意的问题：

　　1、使用仪器原装电源线；

　　2、确认仪器AC输入是否有110V/220V切换开关。若有，确认开关打在220V档位；

　　3、确认电网稳定。当电网中有大功率电器接入时，先关闭仪器，拔下电源线，待电网稳定后再使用；

　　4、开机时：先插上AC电源线，再按开机键开机；

　　关机时：先按关机键关机，再拔掉AC电源线；

　　5，注意仪器使用环境，定期清理灰尘。

　　二、前端信号处理模块故障

　　射频仪器前端信号处理模块对静电以及过大信号十分敏感，若使用不当，极易损坏。

　　使用中需要注意的问题：

　　1、严禁用手或身体其他部位碰触外部接口，防止静电损伤；

　　2、使用前先估算信号幅度，使用合适衰减器/测试线缆进行测试；

　　3、测试时先将转接头/衰减器/测试线缆接好，再通入信号；测试完毕后先断开测试信号，再取下转接头/衰减器/测试线缆。

　　三、接口物理性损坏

　　射频仪器各种衰减器/线缆等接头类型众多，常见的直径2.4mm，2.92mm，3.5mm等等不尽相同。如果使用到直径不匹配的接头，可能会损坏仪器接口。

　　使用中需注意的问题：

　　1、使用前确认接口类型；

　　2、插拔接口时不可大力强行插拔，遇到插不进或螺口拧不上的情况马上将接口取下，确认类型匹配后再次连接；

　　3、各种转接头/线缆需妥善保管，防止磕碰造成的损伤。

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