迈向互联家居
鲍勃·迪伦(Bob Dylan) 1964年的热门歌曲《时代正在改变》(The Times They Are A-Changin’)的标题当然适用于家电产品。消费电子产品的世界需要不断发展,跟上客户日益增长的需求,并在实现真正互联世界的梦想中发挥作用。物联网(IoT)的趋势终于来到了我们的家庭。它使我们能够远程控制和访问世界上任何地方的任何物体,只要它连接到互联网。无线扬声器系统、恒温器、家庭安全和监控系统、家用机器人、烟雾/CO探测器、照明、家庭能源使用监视器、门锁、冰箱、洗衣机或水探测器,如今都带有支持某种形式的WLAN、Zigbee、LPWAN或蓝牙®技术的集成无线通信模块。
额外的连接性特性带来了新的挑战和遵从性需求。不符合监管要求的产品可能会被处以巨额罚款,在一些国家甚至可能会被强制停止销售。几乎所有新的联网产品都配有显示器、扬声器系统和应用程序支持,以方便用户交互。这就产生了一系列新的安全、功能和质量保证挑战。
连接技术(WLAN、蓝牙®等)大多工作在2.4 GHz ISM频段。在某些情况下,频率彼此重叠并导致性能下降。这就是射频行业中所谓的无线共存问题。共存问题降低了用户体验,因为非技术用户可能不了解问题的根源,他们很容易责怪产品。这导致了品牌诽谤。
测试责任
大多数设备制造商从不同的第三方供应商采购无线通信模块和天线模块,将两个组件连接在一起,最后集成到他们的产品中。各个零部件供应商根据不同的监管规范对其产品进行认证。无线模块制造商使用传导测试方法进行设备内共存测量,但没有将DUT连接到集成天线系统进行辐射或空中(OTA)测试。因此,整个系统的性能是未知的。同样,天线模块供应商在没有任何集成无线模块通过认证测试的情况下,对天线辐射性能和其他天线相关参数进行认证。在这种情况下,整个系统的性能也不清楚。
当设备制造商最终连接并集成两个单独的组件时,一个尚未经过认证的全新产品就诞生了。集成后,根据天线的安装位置以及天线与设备本体的耦合情况,从到达或经过设备附近的不同干扰源中拾取不同的电磁干扰(EMI)信号。所述感兴趣的干扰源是在相邻或重叠频段传输射频信号的任何外部设备。大多数设备主体是由钢或铝制成的,这有时会导致天线与设备耦合。因此,辐射模式也与天线模块供应商认证的模式不同。因此,设备制造商对最终形式的设备进行测试和鉴定是至关重要的。这是通过辐射接近无线共存测试完成的。
测试连接设备的挑战
为了确保最终产品满足所有描述的要求,它必须经过一组复杂的测试。这些测试包括共存测试和用户体验测试,以保证在实际使用中提供高质量的服务,并确保安全性和产品合规性。在引入市场之前,需要采取这些步骤以尽量减少任何潜在的风险。该过程还要求定义被测设备(DUT)的预期用例,以确定基准电磁(EM)环境和所需通信系统的相应功能性能。因此,可以在实验室中定义最坏情况的RF场景,以便稍后为测试目的重新创建它。
让我们以一台连接到WLAN网络的智能洗衣机为例。根据其预期的使用情况,洗衣机通常位于电磁环境基本时不变和稳定的区域。最糟糕的情况是,当洗衣机位于无线局域网信号非常微弱的区域,而运行着活动Wi-Fi热点和蓝牙®应用程序、以最大功率传输的智能手机放在洗衣机上方或旁边时。如果再加上一块智能手表,会发生什么?测试挑战是以可重复的方式在暗室中重现这种精确的电磁环境和测试条件。
干扰信号
无线共存测试行业的专家们对干扰信号的话题进行了激烈的争论。测试共存的目标是确保DUT令人满意的接收机性能。这意味着我们需要找到一种可重复的测试策略和正确的干扰信号类型来测试支持不同类型无线通信标准的接收机。
如何选择正确的电磁干扰(EMI)信号类型有两种方法。
方法1:第一种方法涉及在技术、频率和支持的频段方面对DUT能力执行完整的风险评估分析。这样做后,风险评估矩阵将确定特定DUT所需的干扰信号和频谱位置。
例如,让我们考虑一个支持WLAN、蓝牙®和LTE(频段7和18)的DUT。WLAN和蓝牙®工作在2.4 GHz频段,下行LTE 7频段工作在2.6 GHz频段,LTE 18频段工作在860mhz频段。表1显示了这个特定DUT的风险评估矩阵。
如果我们认为WLAN是我们想要的系统,那么干扰源是其他蓝牙®和WLAN传输,因为它们在频谱上重叠,从而导致共存的概率很高。在LTE 2.6 GHz传输的情况下,共存问题的可能性中等低,因为它在2.4 GHz频段上没有重叠,将被视为中等风险的干扰源。最后,对于WLAN, LTE 800频段传输没有风险,因此不被认为是干扰源。
方法2:在这种情况下,我们用一种常见的干扰信号策略测试单个标准。影响所要系统的性能和接收质量的干扰信号的特性是EMI信号带宽、功率电平和频谱位置。EMI信号的调制技术不影响所要系统的功能性能,但建议使用某种QPSK或QAM调制的EMI信号。因此,可以将不同带宽和功率级别的EMI信号引入到所需要的波段的频谱位置(波段中心、波段边缘),如图所示图1.这些都是带内位置,因为对目标系统影响最大的是在带内EMI位置。带外的EMI位置也可能存在,但粒子经验表明,大多数现代接收机都有良好的滤波能力来滤除带外干扰。
想要的信号
无线通信无线电被设计成支持尽可能高的数据速率。如果射频环境允许,无线电将选择最大可用信道带宽和最大支持的高阶调制方案以实现最大数据速率。因此,在执行共存测试时,有必要将所需的系统配置为DUT支持每种标准的最大能力。
可能的测试方案
所示的可能的测试和测量解决方案图2包括一个无线电通信测试仪,一个矢量信号发生器和一个可选的大功率放大器,一个频谱分析仪和实时检测软件。
DUT被放置在一个大的半消声室中。无线电通信测试仪的天线直接指向DUT的集成天线。无线电通信测试仪用于通过模拟非蜂窝网络(如蓝牙®和WLAN)以及蜂窝网络(如3G, 4G网络)(如需要)与DUT建立主动端到端连接。大功率放大器可选用于提高辐射测试条件下的信号电平。完成基线功能性能测试,并记录所有相关物理层和应用层kpi(如吞吐量数据速率、PER、BLER、视频和音频性能)的结果。
在接下来的迭代中,将期望信号的功率水平降低到单元边缘条件,以复制最坏情况,并使用矢量信号发生器引入干扰信号。矢量信号发生器用于产生真实的宽带调制电磁干扰信号。这是一种非常强大的仪器,可以在飞行中以任何频率产生任何类型的信号。此时出现结果的功能性能将显示与基线结果的差异。在执行共存测试时,监控射频频谱非常重要,这在大多数标准中被列为强制步骤。这是用频谱分析仪完成的。大多数现代频谱分析仪可以配置为实时频谱分析仪和扫描调谐频谱分析仪模式。如今,大多数家庭自动化产品都预装了显示屏和内置扬声器系统。这两个特性有助于用户与产品进行交互。因此,在存在干扰的情况下测试应用层的功能性能是非常重要的。
DUT可以从无线通信测试仪的流媒体服务器通过WLAN链路传输视频和音频,检测软件将执行实时图像和声音质量分析。市场上有专门的解决方案,使用任何基于USB的高清网络摄像头和麦克风来收集实时数据,以便实时监控DUT的音频和视频性能。这样可以在测试报告中自动记录和记录故障事件。
测试结果
图3所示为无线局域网传输和1 MHz宽EMI蓝牙®信号在所需频段中间的无线共存场景的频谱图。无线局域网模块通过IEEE 802.11g 20 MHz信道与AP (radio communication tester access point)相连。使用蓝牙®带内EMI进行无线局域网通信的测量结果显示,在网络上传输1000个数据包时,平均PER值为15%。引入EMI信号的功率电平为-30 dBm。
图4如图所示,所示的频谱图是WLAN传输和在所需频段中间的20 MHz宽EMI LTE信号的无线共存场景。无线局域网模块通过IEEE 802.11g 20 MHz信道与无线通信测试AP相连。无线局域网与LTE通信在频带EMI下的测量结果表明,在网络上传输2000个数据包时,平均PER值为19.5%。引入EMI信号的功率电平逐渐增加,每增加一次,导致PER急剧增加。
越来越多的测试需求
本文描述了如何在产品的最终形式上执行辐射接近无线共存测试的系统方法。近距离无线共存测试是一种新的测试形式,正在慢慢普及。这是因为它不仅可以帮助制造商测试合规性,而且还可以作为生产线的终端功能测试。现在大多数产品在出厂前都会得到最新的固件更新。如果存在无线共存问题阻碍了最后一次软件更新,那么一旦出售给客户,它们就可能无法执行。回调、故障排除和更换产品都非常昂贵。因此,在将其装载到卡车之前进行最后的测试将为制造商节省大量的时间和资源。
一种经过修改的短开放式实验室无线共存测试例程,用于检查产品在其预期环境中的功能和实际性能。这使设备制造商对其产品有了额外的信心,并有助于维护品牌声誉。