本文出處：Keysight 是德科技
物聯網與 AI 蓬勃發展的今天，許多傳統產品廠商也想搭上這股熱潮，結合物聯網技術，進軍智慧城市、智慧安防、智慧家居、智慧穿戴、智慧農業等市場。但要邁入萬物互聯的時代，第一步就是讓產品順利「連網」，而且最好是「無線」連接。
於是，一個廣為人知的產品轉型公式誕生了：
看似簡單的過程，實際開發卻暗藏許多挑戰，尤其在無線模組加入後，會衍生出硬體設計、功耗、通訊穩定性等問題，以下逐一解析：
由模組廠商提供模組和參考設計，讓你繞開不熟悉的無線連接部分的設計，確實聽起來是一個很穩當的策略，但是無線模組其實會給你的電子產品本身帶來一些新的問題。
| 客戶和產品經理關心的 | 研發單位關心的 |
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1. 無線模組能否正確建立通信 |
1-1. 無線模組的發射頻率和佔用頻寬是否正確和準確？
1-2. 發射的調製信號是否正確，調製品質如何？ 2-1. 無線模組的附屬電路，例如天線和濾波器是否合理匹配？ 2-2. 無線模組模組本身發射功率是不是經過正確的校準？ 2-3. 無線模組在放入產品的外殼之後,天線發射的功率是否被衰減太多？ 2-4. 加上產品外殼之後，是否能達到設計的接受靈敏度（影響工作距離）？ 3-1. 在模組的預設工作模式下，終端產品的功耗情況？ 3-2. 是否可以通過優化模組的發射和接受參數，優化終端產品的功耗情況？ 4-1. 產品的電磁相容是否符合規範？ 4-2. 產品是否符合 CE / FCC / CCC 等不同地區對射頻收發設備的要求？ 4-3. 是否有帶外的雜散產生？ |
在客戶關心的層面，物聯網產品的問題通常是，無線產品 (模組) 能否和手機 (或者平臺的伺服器) 建立起通信，系統工作距離是否符合設計要求，產品能夠在電池供電的情況下長時間工作 (功耗大小) ，產品是否能夠滿足規範在相應國家和地區銷售。除去軟體層面的問題，其實客戶的這些問題都需要在硬體設計方面一一解決。這些問題對物聯網產品的研發人員提出新的要求，也不可能由無線模組供應商全部解決。
* 延伸閱讀：了解複雜的物聯網射頻接收器測試(BLE/ZigBee/LoRa/802.11/NB-IoT/LTE/V2X)
我們建立了一個模擬工程師在研發中的測試環境。 如果測試版上有介面， 我們可以通過直連的方式； 或者加上一對天線進行耦合， 收發射頻信號。 但實際上應該加上一個位置固定的遮罩盒，測到的功率是可以量化的功率。
建立射頻連接的第一要素是模組的發射頻率。 當我們拿到一個模組後， 首先要測試它的發射頻率的正確性。 如果頻率出現偏差， 就需要進行校準。 頻率偏差的原因可能是硬體故障， 也可能是軟體問題。 有些模組支援幾種頻率， 通過上層的軟體可能設置。 但如果設置錯誤， 就無法建立連接。 對於手機等蜂窩網是基於協議，可以通過基站調整頻率； 但對於物聯網 LoRa，FSK，ZigBee 等是無法自我調整調整頻率的。模組的生產廠，首先要確保頻率的正確性能。例如我們測試的這個終端模組， 通過頻率儀發現其工作頻率比設計偏差了8.3KHz. 因此， 作為設計工程師， 在拿到測試版的時候， 首先要對其發射頻率進行測試和校準。
在確保頻率正確後， 下一步需要來測量一下佔用通道頻寬。 大部分物聯網制式支持多種頻寬， 有高速率和低速率， 但佔用的頻寬都不同。 所以需要測試他們不同頻寬的。 自組網的設備， 如果佔用頻寬出問題， 是無法連接的。
當然， 如果對品質有更高的要求， 則需要對模組進行深入研究， 包括對發射信號進行調製品質分析， 例如星座圖、向量誤差、誤碼率等等。 像 N9000B 這樣的射頻信號分析儀具備這種進階功能，可以通過解調軟體進行功能升級。
講完頻率測量， 我們進入功率測量， 這非常重要， 會直接影響發射距離。 必須要採用合適的手段來對功率進行測量。如果終端設置的輸出功率和實際輸出功率差了 3 dbm，就相當於差了 1 倍， 有效傳輸距離就會大受影響。 這就要求我們設計過程中， 驗證設置的功率和實際功率的偏差， 並對其進行校準。 這個偏差原因很多， 可能是硬體的問題， 也可能軟體問題。 但如果沒有這種精確的測試手段， 是非常不準確的。 這是我們拿到的一個評估板上出現的問題。 我們設置功率分別是、15dBm，5dBm，-5dBm， 結果看到實際的功率有非常大的差距。
講完發送功率， 我們接著講接收功率和靈敏度， 這是物聯網終端另外一個關鍵指標。 通常情況下， 無線接收設備都有接收功率的指示器， 如手機、wifi 等。
無線物聯網模組的供應商在開發工具中也會內建這個指示器， 但這個指示器非常不準， 很多時候會帶來誤導。 因此， 實際測量非常重要的， 否則無法精測接收的靈敏度。 向量信號產生器可以精確發射功率，1dB 以內的精度， 同時頻率精確設置。 在這個實際測試案例中， 我們不斷減少發射功率至 -80 dbm， 但奇怪的是， 在模組的上位機看到的功率是 -111dbm。如果按照指示器顯示的資料來開發產品， 靈敏度肯定是不夠的。 例如， 在設計過程中， 我們設置 IoT 模組在 -114dBm 以下的時候， 通過上層軟體的控制關閉接收機 ， 但此時， 實際的信號強度可能是 -85 dBm 。 這樣接收機就可能無法收到小功率的信號， 導致接收靈敏度下降， 實際傳輸距離縮短。
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硬體研發工程師：我有個波型產生器，還有台信號產生器，但是為什麼產生了對應頻率的信號，我的模組就是不能識別呢？為什麼只有自己模組發射的信號，才能識別呢？ |
▲ 產品功耗如何測量？
| 功耗怎麼測？ 通過測試電壓電流，來計算唄。 萬用電表出馬囉！ |
新問題來了： |
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以上問題萬用電表無法解決沒關係，這可以！
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利用這套測試工具， 我們就能對物聯網模組或整個終端進行全面的功耗分析。 這是一共連續 11 分鐘的計量， 可以看到大幅度變化的電流和這段時間內實際的功耗。軟體自動對電流進行積分， 精確算得功耗特性並以此為依據對電池的壽命進行評估。
通過這個量測到的電流跡線， 我們可以進一步對功耗進行優化。 在這個測試中， 我們發現該模組的節能模式和預設模式是不一樣的。 通常我們外購來的模組， 都會至於預設模式。 但預設的模式未必是最優的， 需要工程師進一步進行優化。 以獲得更低的綜合功耗。
發射功率直接影響著產品的功耗。 在這個測試中， 我們將相同的資料傳輸， 利用 3 種不同的發射功率， 明顯看到功耗不同。 在實際使用過程中， 不是所有的模組都需要在最大功率下工作。 如果每次默認都在最大功率下， 功耗太多。 如果根據實際的工作場景， 來選擇合適的發射功率， 就可以達到功耗和連接的優化。
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合理調整發射速率： |
資料的傳輸速率也會影響功耗。 在這個測試中， 我們讓模組發送了同樣的資料幀， 功率一樣。 但速度不一樣。 第一組是採用 1.2K 速率， 測得整個過程的功耗是314uAH。之後， 我們將速率提升到 200K，傳輸同樣的資料， 耗電 18.7 uAH，省 90% 以上！
因此， 如果應用場景允許， 利用更高的傳送速率， 時間更短， 更為省電。 在物聯網中， 如果資料很少， 可以動態選擇速率， 如果資料大， 用高速傳輸更為省電。 結合應用場景， 進行優化， 特別是近距離傳輸， 誤碼率低， 這樣的設計就更為高效。
問題 4 ：是否滿足規範要求？
在發射頻率旁邊， 很容易出現了頻率的雜散，該如何解決這個問題？
由 Keysight 的 CXG N5166B向量信號產生器，CXA N9000B向量信號分析儀 和 N6705C 電源分析儀 構成的物聯網產品的研發整體測試方案，可以覆蓋物聯網產品設計中引入的射頻和功耗問題的測試，可以加速您的產品的研發速度，讓您的物聯網產品更快速上市！！
＊相關產品介紹：CXG N5166B向量信號源、CXA N9000B向量信號分析儀、N6705C 電源分析儀
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