輕松通過WLAN發(fā)射機預一致性測試須知

　　光有智能小玩意已經(jīng)不夠了。任何小玩意如果想吸引消費者注意，不僅要智能化，還要聯(lián)網(wǎng)化。聯(lián)網(wǎng)化意味著設(shè)計中還必須有無線功能。無線技術(shù)帶來了許多新的設(shè)計可能，并開始出現(xiàn)在某些不尋常的地方。下面列舉了一些比較有趣的實例：

　　· 初創(chuàng)公司Velo Labs正在開發(fā)一種采用太陽能提供動力的自行車鎖，它可以掛到Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)上，在車鎖的動作檢測器感應(yīng)到自行車可能被盜時，會向自行車主的智能手機發(fā)送警報。

　　· Oral-B的一種新型智能電動牙刷采用無線技術(shù)，捕獲與用戶刷牙習慣有關(guān)的信息，其可望成為牙科記錄的一部分。這到底算不算好事還有待消費者來評判。

　　當然，其意義在于在貨架上、在工作中或有待想象的數(shù)千種產(chǎn)品將采用某種低功率無線功能，滿足消費者需求，或者可能會成為所謂的物聯(lián)網(wǎng)的一部分。

　　對聯(lián)網(wǎng)的所有這些需求極具挑戰(zhàn)性的部分是產(chǎn)品制造商必需學習怎樣在產(chǎn)品中增加無線功能，但許多制造商幾乎沒有RF經(jīng)驗。最常用、也是最實用的方法是在設(shè)計中直接采用預封裝的WLAN模塊。這些模塊的市場正以兩位數(shù)的速度強勁增長，而且預計還會持續(xù)增長，也就不足為奇了。

　　盡管使用無線模塊消除了許多技術(shù)問題，如圖1所示，但還需要做許多決策。最關(guān)鍵、也是最棘手的任務(wù)是確保最終產(chǎn)品滿足復雜的FCC和國際法規(guī)要求。一致性測試是窮盡式測試，耗費時間長，在產(chǎn)品開發(fā)的這個階段測試失敗可能會導致昂貴的重新設(shè)計及耽誤產(chǎn)品推出。

　　正如流程圖第6步所顯示的那樣，法規(guī)預一致性檢查對避免這些最壞情況場景至關(guān)重要。幸運的是，可以在內(nèi)部使用經(jīng)濟的、熟悉的測試設(shè)備，執(zhí)行預一致性測試，確保采用無線技術(shù)的產(chǎn)品實現(xiàn)很高的第一次就通過一致性測試的概率。其目標是提前發(fā)現(xiàn)潛在問題，降低一致性測試階段高昂的測試失敗風險。

　　圖1. 使用無線模塊降低了設(shè)計復雜度，但也涉及許多重要步驟，最關(guān)鍵的是要確保在設(shè)計階段通過法規(guī)一致性測試。

　　從第一次無線傳輸開始，頻譜輻射就一直是設(shè)計工程師關(guān)注的課題。世界各地的法規(guī)機構(gòu)都設(shè)置了輻射水平極限，規(guī)定了一致性測試的測量方法。正式認證必須在產(chǎn)品可以銷售前完成，必須在獨立實驗室完成，每天成本在5，000 - 10，000美元，而且還沒包括差旅費和其他開支。

　　使用市面上的模塊，即使是已經(jīng)自行認證的模塊，也不一定能使獲得認證的工作變得大大簡便。這是因為還必須測試和質(zhì)檢完全組裝好的成品。PC電路板布線、天線設(shè)計和方向或系統(tǒng)交互等設(shè)計問題可能會導致產(chǎn)品不能滿足認證要求。

　　通過利用儀器，可以輕松得多地在設(shè)計階段辨別這些問題。這些儀器不僅讓設(shè)計人員在自己的測試臺上執(zhí)行全系列預一致性測試，還幫助設(shè)計人員識別可能導致產(chǎn)品未能通過正式測試的問題的根本原因。

　　預一致性測試與全面一致性

　　在無線模塊系統(tǒng)集成后將進行預一致性測試，以確定設(shè)計中的任何問題區(qū)域。預一致性測試不一定需要與每一項國際標準對應(yīng)，因為目標只是發(fā)現(xiàn)潛在問題，減少在昂貴的一致性測試階段測試失敗的風險。使用的設(shè)備也不一定包括標準要求的每種功能和規(guī)范，如果測試結(jié)果運用足夠的余量，其精度和動態(tài)范圍可能會低于滿足標準的接收機。

　　擁有通用濾波器和檢測器的通用頻譜分析儀是預認證和EMI放射測試的很好的入手點。但是，在進行更完善的分析時，最好使用WLAN特定測試和認證解決方案，支持IEEE 802.11標準要求的全系列測試和分析。特別是在基于混合域示波器、并與矢量信號分析軟件相結(jié)合時，這樣的解決方案允許設(shè)計人員把時域中的事件與頻域分析關(guān)聯(lián)起來，快速識別可能導致產(chǎn)品認證失敗的問題。例如，時域中只在喚醒過程中發(fā)生的毛刺可能會在頻域中導致帶外輻射。

　　一個常見的問題通常涉及怎樣比較全面一致性測試使用的準峰值（QP）檢測器與預一致性測試一般使用的比較簡單的峰值檢測器。實際上，在開始測試時，外部實驗室一般先使用簡單的峰值檢測器進行掃描，找到超過或接近規(guī)定極限的問題區(qū)域。對接近或超過極限的信號，他們將執(zhí)行準峰值測量。

　　準峰值檢測器是EMI測量標準規(guī)定的一種特殊的檢測方法。準峰值檢測器用來檢測信號包絡(luò)加權(quán)后的峰值（準峰值）。它根據(jù)信號持續(xù)時間和重復率對信號加權(quán)。信號發(fā)生頻次越高，與偶發(fā)脈沖相比，準峰值測量數(shù)據(jù)越高。

　　圖2：這個實例說明了峰值和準峰值檢測對8 µs脈寬和10 ms重復速率的信號的影響。準峰值比峰值低10.1 dB。

　　一個良好的法則是準峰值將一直小于等于峰值檢測，永遠不會大于峰值檢測。因此，您可以使用峰值檢測，進行EMI調(diào)試和診斷。您不需要精確到EMI部門或?qū)嶒炇覓呙杷?，因為它們都是相對的。如果您的實驗室報告使用準峰值檢測器顯示設(shè)計超出3 dB，峰值檢測顯示超出6 dB，那么您需要實現(xiàn)補丁，把信號降低-3 dB或以上。

　　本文選自電子發(fā)燒友網(wǎng)8月《無線通信特刊》Change The World欄目，轉(zhuǎn)載請注明出處！
　　

　　預一致性探測技術(shù)

　　全面EMI一致性測試實驗室中使用EMI接收機和精心校準的天線，在3米或10米距離上測試電子器件。換句話說，測量在遠場中完成。在本質(zhì)上，遠場測試可以準確地區(qū)分產(chǎn)品整體上是通過測試還是測試失敗，但不能指出問題的來源。在只使用遠場測試時，用戶不能把問題隔離到具體元器件或位置，比如在打開金屬機箱時“泄漏”出太多的RF能量，也不能幫助識別放射出太多RF能量的電纜。近場測試是定位此類輻射來源的唯一途徑，一般使用頻譜分析儀和近場探頭執(zhí)行近場測試。

　　圖3所示的EMI近場探頭是一種電磁撿拾裝置，用來捕獲關(guān)心區(qū)域的電場（E）或磁場（H），與頻譜分析儀一起使用。制造商提供了成套探頭，在尺寸、靈敏度和頻率范圍之間實現(xiàn)最佳均衡，您可能需要工具箱中所有尺寸，才能解決問題。選擇磁場探頭還是電場探頭可能取決于信號在設(shè)計中的位置、信號源特點（電壓或電流）等等。例如，存在金屬屏蔽可能會抑制電場，在應(yīng)用中必需使用磁場探頭。必須使用近場探頭撿拾被測器件附近的信號。

　　圖3：近場探頭用來發(fā)現(xiàn)非預計的RF輻射的位置。

　　電壓探頭與示波器和頻譜分析儀一起使用，直接連接到關(guān)心的電路上。傳統(tǒng)示波器探頭可以與頻譜分析儀一起使用，視探頭的阻抗，會導致靈敏度損失。例如，把一只500歐姆Z0示波器探頭連接到一臺50歐姆頻譜分析儀上，會導致10:1分路器及到頻譜分析儀輸入的信號下降20dB。但是，在直接連接電路時，信號一般很大，即使信號電平下降，頻譜分析儀仍能看得見。此外，頻譜分析儀的噪底和靈敏度一般要比示波器好幾個量級，因此探頭損耗很少會成為限制因素。電壓探頭必須直接連接到電路上，才能撿拾信號。

　　預一致性測試的三個基本步驟

　　對預一致性測試，頻域分成3個子域或區(qū)域，如圖4所示。表1顯示了北美和歐洲的2.4 GHz頻段WLAN一致性測試要求。每個子域都有單獨的法規(guī)，在產(chǎn)品推向市場前，無線設(shè)備實現(xiàn)者需要成功完成“3步頻譜預一致性測試”。這些步驟是：

　　· 帶內(nèi)（信道）域：檢查發(fā)射功率輸出、發(fā)送帶寬和功率頻譜密度、等等。

　　· 帶外域：檢查頻譜輻射或鄰道功率比（ACPR）。模板通常由IEEE等通信標準規(guī)定。

　　· 雜散域：檢查雜散輻射水平。

　　圖4. 對預一致性測試，頻域分成三個子域。

　　發(fā)送功率測量

　　在規(guī)劃或更新無線設(shè)備安裝時，通常必需確定無線設(shè)備能否實現(xiàn)一定的傳輸距離。但是，這些信息不會打印在無線設(shè)備和天線的技術(shù)數(shù)據(jù)中。可以允許的最大輸出功率根據(jù)地區(qū)法規(guī)機構(gòu)規(guī)定的方法測量。因此，您需要檢查標準和法規(guī)，確保設(shè)備能夠通過一致性測試。圖5說明了使用矢量信號分析軟件及頻譜分析儀執(zhí)行這一測試的步驟。

　　必需指出，某些WLAN信號超出了分析儀能夠執(zhí)行發(fā)送功率測量的帶寬。例如，802.11ac信號要求至少160 MHz的帶寬，才能執(zhí)行突發(fā)功率測試。

　　圖5：這個實例說明了執(zhí)行IEEE 802.11g 發(fā)送功率測量的步驟。

　　功率頻譜密度測量

　　功率頻譜密度（PSD）是每個單位頻率內(nèi)的功率。例如，F(xiàn)CC要求在連續(xù)傳輸?shù)娜魏螘r間間隔內(nèi)，在任何3 kHz頻段中，從故意輻射體傳導到天線的功率頻譜密度不得大于8 dBm，您需要把頻譜分析儀中心頻率設(shè)置成通道中心頻率，把RBW設(shè)置成3 kHz，使用峰值檢測器和標記確定最大幅度電平是否大于8 dBm。

　　圖6： IEEE 802.11g 功率頻譜密度測量

　　占用帶寬測量

　　占用帶寬是衡量包含指定百分比的總信號功率的頻段帶寬的指標。占用帶寬（OBW）測量信號在分配信道內(nèi)占用多少帶寬。一般來說，OBW用分配信道帶寬內(nèi)總功率的百分比指定，如99%或X dB以下帶寬。在圖6所示的例子中，F(xiàn)CC要求最低6dB帶寬至少應(yīng)為500 kHz，因此您需要進行6 dB以下占用帶寬測量。

　　圖7： IEEE 802.11g 占用帶寬測量

　　頻譜輻射模板測量

　　一旦設(shè)備的發(fā)射功率輸出滿足帶內(nèi)合規(guī)要求，您可以轉(zhuǎn)向測試帶外輻射。頻譜模板是以數(shù)學方式定義的、應(yīng)用到無線傳輸電平的一套線。這個模板提供了允許信號功率分布到通道中的極限。它為標準的每個變通方案都規(guī)定了發(fā)射頻譜模板。一般來說，頻譜輻射模板（或帶外）域從必需帶寬（分配的通道帶寬）0.5倍的頻率偏置開始，一直擴展到必需帶寬的2.5倍。例如，20 MHz帶寬802.11g信號的IEEE輻射模板域是距中心頻率±10 MHz到±50 MHz頻率偏置。圖7顯示了這一測量流程。

　　圖8： IEEE 802.11g頻譜輻射模板測量流程。

　　雜散輻射測量

　　雜散輻射是非故意產(chǎn)生或發(fā)送的任何無線頻率，特別是在正常情況下產(chǎn)生其他頻率的設(shè)備中。發(fā)射機分配信道以外的諧波或其他信號將被視為雜散輻射。許多本地法規(guī)標準，如美國的FCC，提供了一定的不想要的輻射域的雜散輻射功率的極限（可以允許的值）。在圖8所示的實例中，極限線從這個保存的設(shè)置文件中加載，對標準中確立的每個頻率區(qū)域有相應(yīng)的設(shè)置 。

　　圖9： IEEE 802.11g 雜散測量流程。

　　克服RF集成復雜性

　　許多制造商認為，他們只需要購買一個無線模塊，然后只需很少的工作就可以使產(chǎn)品獲得認證，準備上市。然而即使是相當簡單的集成工作，仍有許多潛在的問題領(lǐng)域，有許多必須滿足的復雜的法規(guī)要求?？紤]到前往一致性認證機構(gòu)的時間成本，預一致性測試成為必須。

　　然而，檢查所有標準和法規(guī)不僅十分困難，而且耗時很長。即使已經(jīng)收集了所有法規(guī)信息，但您仍需熟悉測試設(shè)備，確保正確設(shè)置所有測量。事實上，預一致性測試程序可能會在頻譜分析儀中增加幾百次操作。

　　為了簡化這一過程，測試測量供應(yīng)商已經(jīng)著手提供分步指引或向?qū)В褂没旌嫌蚴静ㄆ骰蝾l譜分析儀為WLAN器件執(zhí)行預一致性測量。此外，診斷不限于預一致性測試。這些工具還支持全面診斷和調(diào)試，確保RF系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)規(guī)定的性能水平，而不會被集成系統(tǒng)的其他部分劣化。

　　關(guān)于作者

　　Xiao Li現(xiàn)為泰克公司產(chǎn)品線應(yīng)用工程師，其重點是商用無線、頻譜管理和RF教育應(yīng)用。他于2012年加入泰克。他畢業(yè)于沈陽理工大學，獲得理學士學位；后畢業(yè)于美國俄勒岡波特蘭州立大學，獲得理學碩士學位和博士學位。他還曾作為波特蘭州立大學的兼職教授。他的科研興趣包括無線通信和信號處理。