為了將現有的產品重新塑造成內建微處理器、I/O匯流排、感測器和發射機的智慧連網裝置,不僅帶來大量的市場機會,也伴隨著許多技術挑戰。但是,如何把幾十年來功能及形式固定的工具和設備,變成使用者介面友善且經標準認證的連網電子裝置?此外,如何確保在實驗室設計好的裝置到了現場能正常運作?

對於開發無線物聯網(IoT)系統設計的工程師來說,自始至終一直圍繞著各種設計挑戰。為了有效地完成這一流程,需要有良好的測試與量測策略以及合適的儀器,才能確保及時制訂正確的設計決策以及克服潛在的障礙。不僅如此,您還需要按時、按預算提交設計專案。測試與量測策略有時直接涉及專案的成敗,IoT設計人員經常面臨六項關鍵挑戰:

無線模組選擇:市場上有各種無線模組可供選擇,而且數量越來越多,模組的選擇可能會非常糾結。初次做對選擇非常關鍵,透過精確的測試與量測掌握規格表以外的資訊,有助於深入瞭解這個模組是否能滿足設計需求。 數位設計和除錯:針對系統級除錯,設計團隊經常苦於無法搞清楚問題出在模組還是子系統。透過混合域除錯對於迅速追蹤問題的根源至關重要。 讓電池續航力最大化:當電池續航時間的每一分鐘都得斤斤計較時,能夠準確地建模裝置的功耗至關重要。強勁的建模和功率分析功能可以幫助設計人員發掘降低能耗、最佳化電池續航力的機會。 通過EMI和EMC認證:IoT製造商必須瞭解如何為自家產品適當地增加無線功能,並跟上當前以及新興放射測試和一致性測試的步伐。 無線標準認證:不管是使用Wi-Fi、藍牙或ZigBee,都必需根據選擇的標準對新產品進行認證。如果無法通過認證,就必須重新設計,這不僅會耽誤最終產品發佈時間,還會增加開發成本,以及錯失產品上市良機。 處理訊號干擾問題:2.4GHz頻譜是低成本、免授權應用最普遍的運作區域,數百萬台無線電裝置都位於這個頻段。使用免授權頻譜極具吸引力,因為它能節省成本,但它仍無法避免其他裝置使用相同頻段和頻道所帶來的干擾。

儘管每一步驟都各有其障礙和要求,但IoT設計團隊最經常遇到的障礙主要位於除錯、電池續航力最佳化和先期一致性測試等領域。如果未能充份著重於這三個領域,很可能遇到意想不到的障礙,或更糟糕的是無法實現可靠性或達到設計目標等。以下討論能讓設計團隊高枕無憂的一些小技巧與策略。

除錯IoT裝置

傳統上,大多數應用的無線裝置主要由資深的RF工程師設計。但是,現在有數不清的無線模組設計到硬體中,而不要求設計人員具備強大的RF設計經驗。這些模組擁有多種功能,單價成本卻越來越低,無疑地將有助於促進IoT裝置的爆發成長。

20171219_Tektronix_TA31P1 圖1:測試支援Wi-Fi的IoT裝置時,可能面臨天線調校到軟體驗證等問題

根據所設計的裝置功能需求,通常仍必須包含部份數位和類比電路,並確保無線模組如預期地運作。圖1顯示典型IoT裝置中內建Wi-Fi模組、DC電源模組以及特定IoT裝置所使用的部份硬體。我們發現它有幾個潛在的問題,並試著輕鬆進行測試和除錯這些問題。

在裝置上電時,最重要的是要知道它是否在傳送訊號。如果有訊號,可能還要檢查訊號頻率是否和預期的一致,以及訊號功率級和線性度是否正確。

頻譜分析儀為測試這些特性提供了最簡單的方式。它不僅能指示是否存在訊號,還可測量其頻率和功率級。此外,可能還得解碼訊號或從訊號中擷取數位資料。在此例中,向量訊號分析儀(VSA)至關重要。

當然,無線電只傳輸所需要的訊號。換句話說,圖1中的「客戶應用」模組是裝置的大腦,它將經由編程控制所有的模組,包括無線電。

例如,如果無線電未按預期方式傳輸訊號,必須找出原因。是因為把不正確的控制訊號傳送到無線電?還是發送的匯流排指令不正確?或是為無線電供電的電源有問題?

為了除錯設計的RF、類比和數位部份,必須使用示波器,因為它能同時擷取所有的訊號,包括時域(傳統示波器功能)和頻域(傳統頻譜分析儀功能)訊號。

20171219_Tektronix_TA31P2 圖2:混合域示波器能測量與時間有關的RF、類比和數位通道,且有助於隔離問題的根源

最新的混合域示波器包括一條專用的頻譜分析儀通道,可用於同時擷取所有訊號(圖2)。時間相關性用於交叉關聯所有可能的問題。例如,如果無線電無法按預期方式傳輸訊號,那麼既要監測傳送到無線電的控制匯流排指令,還要監測RF訊號,以便能顯示問題本身,同時掌握導致問題發生的原因。

接收機測試

此外,還必須測試IoT無線電模組的接收機能否擷取相應的RF訊號,並檢查它是否濾除了不想要的RF訊號。

接收機靈敏度測試是所有無線接收機的常見要求,以確保裝置順利接收並解碼相應的訊號。在大多數情況下,需要以合理的功率級產生理想的訊號,然後逐漸把功率降低到裝置無法再接收和解碼訊號的程度。如果測得的訊號強度低於「接收機靈敏度」要求,那麼裝置就能通過測試。

20171219_Tektronix_TA31P3 圖3:設置接收機阻塞測試需要兩台VSG和一台RF混頻器

根據相應的無線電標準產生RF訊號的最簡便方式是使用向量訊號產生器 (VSG),它能產生經調變的RF訊號(將數位資訊編碼至訊號上),從而創造和傳輸量不同的無線電訊號。

此外還必須檢查接收機是否能阻擋不想要的RF訊號,同時接收和解碼想要的訊號。這可能包括另一台相同裝置所產生的訊號,但透過另一通道上傳輸訊號。接收機阻塞測試可實現這種操作。如圖3所示,這項測試需要兩台向量訊號產生器和一台RF混頻器。

讓電池續航力最大化

典型的IoT裝置至少包含一個感測器、一個處理器和一個RF晶片,並能以不同的狀態運行,在幾十微秒內消耗的電流從幾百奈安培(nA)到幾百毫安培(uA)。表徵低功耗裝置並不容易,但它能確保持續位於特定的功率範圍。如圖4所示,其面臨的挑戰包括:準確地擷取電流的寬動態範圍、隨時間擷取複雜且快速的發射模式電流波形,以及確保為待測物(DUT)穩定提供準確的功率等。

20171219_Tektronix_TA31P4 圖4:最大限度延長電池續航時間的測試並不輕鬆…

為了實現這一點,IoT裝置中的各種電流可能都需要測量,如圖5所示。此例採用7位半圖形取樣數位萬用電表(DMM)以評估能量採集裝置。該裝置內建溫度感測器和光感測器。當透過太陽能電池採集能量時,它能回報電池電量。在進行操作時,每秒回報30秒的感測器資訊後進入睡眠模式;在主動模式下,發射/接收事件消耗大部份功率,約29mA;而在睡眠模式下僅消耗約70nA。

20171219_Tektronix_TA31P5 圖5:使用圖形取樣萬用電表(Keithley DMM7510)評估以太陽能電池供電的IoT裝置之功率特性

許多IoT設計人員都糾結著一個共同的問題:應該使用什麼儀器準確評估IoT裝置的功耗特點?是電流表?還是帶有電壓或電流探棒的示波器就夠了?

表1比較當今市場上常用的電流測量儀器及其最重要的功能。正如所想像的,每台儀器都有各自擅長的領域。例如,示波器和探棒特別適合測量高電流和快速瞬態訊號。皮安培計和典型DMM更適合測量低電流,但速度不一定好。圖形取樣萬用電表在市場上相對較新,較傳統儀器提供更加完善的功能。

20171219_Tektronix_TA31P6 表1:讓電池續航力最大化是IoT設計人員面臨最棘手的量測挑戰之一,他們需要能夠同時處理低電流和高電流的儀器

先期一致性無線測試

在經認證的實驗室為IoT設計進行完整的一致性測試通常需要大量的成本,首次通過的成本即高達30,000美元,如果必須反覆進行測試,成本還會增加。即使公司內部就有完整的一致性測試實驗室,在實驗執行時也得花費大量的時間。再加上如果測試失敗,就必項重新設計後再進行測試,不僅曠日費時,也導致成本攀升。如圖6所示,最好在設計週期結束之前進行先期一致性驗證,減少實際測試期間發生失敗的風險。

20171219_Tektronix_TA31P7 圖6:使用頻譜分析儀進行先期一致性測試,大幅降低昂貴的測試失敗風險

相較於完整的一致性測試,先期一致性測試程序並不一定相容於國際標準,其目標只是在發現潛在問題,以及降低一致性測試階段失敗的代價和風險。使用的設備也許並不相容,或者精確度和動態範圍低於標準接收機,但只要在測試結果中增加足夠的餘裕就行了。先期一致性測試一般要求以下設備: ‧ 搭配峰值檢測器的頻譜分析儀(可選用準峰值檢測器) ‧ 前置放大器(選用) ‧ 搭配非金屬支架的天線,用於輻射放射測試 ‧ 用於傳導放射測試的線路阻抗穩定網路(LISN) ‧ 傳導放射測試用的功率限制器 ‧ 用於診斷測試的近場探棒(選用)

傳導放射測試

圖7顯示傳導放射測試的先期一致性測試設置時,先以筆記型電腦使用的通用AC-DC電源配接器作為DUT。針對傳導放射測試,必須使用LISN而非天線。基本上它是一個置於AC或DC電源與DUT之間的低通濾波器,用於產生一個已知的阻抗,並提供RF雜訊測量埠。它還能隔離不理想的RF訊號與電源。增加前置放大器也是提升DUT訊號電平的好辦法之一。

20171219_Tektronix_TA31P8 圖7:使用線路阻抗穩定性網路(LISN)進行傳導放射測量

在此例中值得一提的是,在60或50Hz電源上傳導的干擾在某些情況下也會發生問題。儘管大多數的傳導EMI測試規定測量的頻率範圍為9kHz~1GHz,但有必要時最好在更低頻率範圍測量訊號。

為了獲得最佳的傳導EMI 測量結果,最好使用兩個LISN:一個用於為DUT提供規定的阻抗;另一個用於連接頻譜分析儀或接收機。無論如何至少要有一個LISN。由於這是一種經濟型電源,因此傳導放射在大約172Hz時很自然地超過上限(圖8)。

20171219_Tektronix_TA31P9 圖8:傳導放射測試在經濟型電源頻譜低端發現的超限情況

輻射放射測試

在選擇測試地點進行輻射放射測試時,最好挑選一個能最小化外部訊號源的位置。農村地區、會議室或地下室都是不錯的地點,因為這些場所可能讓試圖測量的DUT放射訊號被遮蔽的程度降至最低。圖9是典型的輻射放射測試設置。

針對這方面的測量,可以使用三個成本非常低的PCB對數週期天線,以及一個雙錐天線。將這些天線安裝在三腳架上,以便於部署。天線因數(AF)和線纜損耗應輸入於頻譜分析儀中,以便校正磁場強度。雙錐天線用於20~200MHz頻率,在此頻率範圍的波長越長需要越大的天線;背景雜訊也可能是個問題,因為它包括許多無線廣播頻率。

20171219_Tektronix_TA31P10 圖9:進行輻射放射測試的測試設置,並儘可能選擇一個能使外部訊號雜訊減至最低的地點

先期一致性測試通常分別以距DUT不同的距離進行,例如1公尺和幾公分等。縮短DUT與測試天線之間的距離,增加了DUT訊號強度與RF背景雜訊之比。遺憾的是,近場結果並不能直接轉換成EMI一致性測試中所使用的遠場測試,因此切莫輕易下結論。增加前置放大器也可以有效提升相對的DUT訊號級。

在DUT上電之前,應該先評估和表徵測試環境的特性。極限線路與環境雜訊層之間有足夠的訊號空間嗎?是否有可以減少的已知訊號?需要把測試設置移至更安靜的環境嗎?

一旦接受現有的背景雜訊,就可以為DUT上電了。兩項測量作業之差就在於來自DUT的放射,如圖10所示。在此例中評估了通過EMI一致性測試的Wi-Fi展示板,因此並未偵測到故障。好消息是如果正確設置了測試,而且當未接近極限線路,那麼就可以準備進行一致性測試了。

20171219_Tektronix_TA31P11 圖10:在VHF頻段清楚地看到廣播訊號(但此例中的超限情況與DUT無關)

無線IoT裝置的另一重要方面是「意圖輻射器」(intentional radiator)測試。意圖輻射器是指在執行功能時會廣播無線電能量(而非紅外線或超音波能量)的任意裝置。意圖輻射器也存在非意圖測試方面的要求。由於內部電路之故,在裝置設計使用的頻率之外也可能發生輻射放射。

在為這一類測試選擇頻譜分析儀時,考慮重點在於它至少要能擷取到裝置內部輻射訊號的第三階諧波(或甚至更高)。意圖輻射器的測試設置與輻射放射設置相同。但此例中關注的頻率限於規格(如Wi-Fi、藍牙等標準)指定的輻射頻率與頻率遮罩。

結語

IoT不再只是一種炒作,它帶來了機會,可望透過智慧裝置和分析為客戶創造更多價值。對於打造IoT裝置的團隊來說,硬體只是一個開始——它為打造軟體和分析功能奠定基礎。

當克服上述的挑戰後,就能奠定堅實的基礎,讓IoT設計更實用也更有彈性。這些IoT就緒的測試套件並不一定很貴或很難,但有助於朝向成功邁出第一步。