示波器在物聯(lián)網(wǎng)中的應(yīng)用

隨著現(xiàn)代傳感器技術(shù)和無(wú)線通信技術(shù)的發(fā)展，物聯(lián)網(wǎng)已經(jīng)開(kāi)始進(jìn)入人們的日常生活。以RFID、ZigBee技術(shù)和NFC近場(chǎng)通信等技術(shù)為代表的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用，正在成為眾多企業(yè)、高校研發(fā)和創(chuàng)新的方向。其中一個(gè)最重要的因素是如何測(cè)量系統(tǒng)中時(shí)間相關(guān)的時(shí)域和頻域信號(hào)。

物聯(lián)網(wǎng)行業(yè)的發(fā)展趨勢(shì)與設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)隨著現(xiàn)代傳感器技術(shù)和無(wú)線通信技術(shù)的發(fā)展，物聯(lián)網(wǎng)已經(jīng)開(kāi)始進(jìn)入人們的日常生活。以RFID、ZigBee技術(shù)和NFC近場(chǎng)通信等技術(shù)為代表的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用，正在成為眾多企業(yè)、高校研發(fā)和創(chuàng)新的方向。雖然針對(duì)這些技術(shù)，半導(dǎo)體廠商提供了各種專(zhuān)用芯片，甚至是集成度很高的解決方案，但在設(shè)計(jì)一個(gè)實(shí)際的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備時(shí)，工程師仍然面臨著很多挑戰(zhàn)。其中一個(gè)最重要的因素是如何測(cè)量系統(tǒng)中時(shí)間相關(guān)的時(shí)域和頻域信號(hào)。RFID和ZigBee技術(shù)中應(yīng)用到的RF信號(hào)雖然不是十分復(fù)雜，但信號(hào)的質(zhì)量、功率和時(shí)序關(guān)系決定著系統(tǒng)能否正常工作。而這些RF參數(shù)本身不僅和射頻發(fā)射/接收電路有關(guān)，還受到基帶電路和控制電路的影響。內(nèi)部寄存器的讀寫(xiě)、電源的工況甚至是系統(tǒng)延遲時(shí)間的大小，都會(huì)決定整個(gè)系統(tǒng)的工作狀態(tài)。傳統(tǒng)的示波器或頻譜分析儀是無(wú)法完成這種時(shí)間相關(guān)的時(shí)域和頻域信號(hào)綜合調(diào)試工作的。

MDO混合域示波器的創(chuàng)新設(shè)計(jì)理念泰克MDO4000系列混合域示波器獨(dú)特的創(chuàng)新理念，為調(diào)試跨域的時(shí)頻相關(guān)的系統(tǒng)提供了獨(dú)一無(wú)二的工具。MDO4000在一臺(tái)全功能的混合信號(hào)示波器的基礎(chǔ)上，增加了一臺(tái)3GHz或6GHz的頻譜分析儀，可以完成普通頻譜分析儀的各種頻域測(cè)量功能。完全獨(dú)立的示波器時(shí)域采集系統(tǒng)和頻譜分析儀頻域采集系統(tǒng)，既可以獨(dú)立工作，也可以通過(guò)觸發(fā)協(xié)同工作。通過(guò)移動(dòng)頻譜時(shí)間，用戶可以在示波器采集到的時(shí)間窗口內(nèi)，觀測(cè)在射頻通道采集到的任何一點(diǎn)的RF信號(hào)的頻譜情況。MDO還提供了RF信號(hào)的幅度、頻率和相位相對(duì)于時(shí)間變化的調(diào)制域分析功能。這些獨(dú)有的功能幫助用戶測(cè)量RF信號(hào)的各種調(diào)制信息。使用頻譜分析儀的工程師經(jīng)常面臨的一個(gè)問(wèn)題是如何準(zhǔn)確地觸發(fā)并捕獲到關(guān)心的RF信號(hào)。由于傳統(tǒng)的頻譜分析儀觸發(fā)功能很有限，用戶很難做到這一點(diǎn)。MDO4000不但可以通過(guò)RF信號(hào)的各種特征進(jìn)行觸發(fā)，還可以使用示波器的觸發(fā)系統(tǒng)，通過(guò)基帶或控制信號(hào)完成RF信號(hào)的觸發(fā)采集，這種功能極大地降低了調(diào)制物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的難度。

圖1.MDO4000結(jié)構(gòu)框圖

圖2.通過(guò)IQ解調(diào)后的數(shù)據(jù)，MDO4000可以計(jì)算得到RF信號(hào)的調(diào)制域波形

在調(diào)試RFID系統(tǒng)時(shí)，工程師面臨的一個(gè)重要的困難是如何測(cè)量標(biāo)簽的返回信號(hào)。由于標(biāo)簽返回信號(hào)的幅度很小，使用普通的示波器往往難以捕獲這一信號(hào)，更不要說(shuō)對(duì)其幅度和頻率做進(jìn)一步分析了。主要原因是普通示波器的動(dòng)態(tài)范圍只有4 0 d B，無(wú)法捕獲微弱的標(biāo)簽信號(hào)。MDO4000具有60dB的動(dòng)態(tài)范圍，以及低至-152dB/Hz的底噪，能夠很好地勝任同時(shí)捕獲讀寫(xiě)器信號(hào)和標(biāo)簽信號(hào)的任務(wù)。其獨(dú)特的AvsT射頻信號(hào)幅度的時(shí)域波形功能，甚至可以顯示標(biāo)簽信號(hào)幅度變化過(guò)程。下面我們以一個(gè)13.56MHz的RFID讀寫(xiě)器系統(tǒng)為例，介紹MDO4000的跨域調(diào)試應(yīng)用。（關(guān)于MDO4000在ZigBee系統(tǒng)中的應(yīng)用，另有專(zhuān)門(mén)文章介紹）。

在RIFD系統(tǒng)研發(fā)中MDO混合域示波器的應(yīng)用

圖3. MDO4000RFID讀寫(xiě)器測(cè)試環(huán)境，圖中有專(zhuān)用天線工裝

圖4.采用NXP CLRC632芯片的RFID讀寫(xiě)器

測(cè)試13.56MHzRFID讀寫(xiě)器的RF信號(hào)質(zhì)量參數(shù)

13.56MHz高頻RFID系統(tǒng)是目前國(guó)內(nèi)應(yīng)用最為廣泛，技術(shù)較為成熟的射頻識(shí)別系統(tǒng)。相關(guān)的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)對(duì)射頻發(fā)射頻率、信道帶寬、發(fā)射功率等參數(shù)都有明確的要求，特別是RF信號(hào)的幅度（功率）隨時(shí)間變化的情況，標(biāo)準(zhǔn)有著嚴(yán)格的規(guī)定。以讀寫(xiě)設(shè)備為例，讀寫(xiě)設(shè)備發(fā)出的載波信號(hào)的幅度變化時(shí)間，必須符合ISO18000-3標(biāo)準(zhǔn)對(duì)于t1-t4的時(shí)間限制。

圖5. ISO18000-3 13.56MHz RFID空中接口時(shí)間參數(shù)規(guī)范a

通過(guò)使用MDO4000獨(dú)特的觸發(fā)功能，用戶可以輕松穩(wěn)定捕獲RFID的時(shí)域和頻域信號(hào)。如圖所示，由于載波信號(hào)幅度在變化，使用傳統(tǒng)手段很難測(cè)量出RF信號(hào)從90%下降到5%的T1的時(shí)間長(zhǎng)度。我們可以打開(kāi)AvsT調(diào)制曲線，它代表了RF信號(hào)的幅度相對(duì)于時(shí)間變化的軌跡。通過(guò)自動(dòng)測(cè)量或手動(dòng)光標(biāo)測(cè)量，我們可以輕松得到T1的準(zhǔn)確時(shí)間。同理可以完成其他時(shí)間參數(shù)的測(cè)試。

圖6. 13.56MHzRFID PCD到PICC信號(hào)的時(shí)域和AvsT調(diào)制域波形

圖7.測(cè)量13.56MHz RFID PCD到PICC t4時(shí)間