如何把几十年来功能及形式固定的工具和设备，变成用户接口友善、经过标准认证的连网电子装置呢？

为了将现有的产品重新塑造成内建微处理器、I/O总线、传感器和发射机的智能连网装置，不仅带来大量的市场机会，也伴随着许多技术挑战。但是，如何把几十年来功能及形式固定的工具和设备，变成用户接口友善且经标准认证的连网电子装置？此外，如何确保在实验室设计好的装置到了现场能正常运作？

对于开发无线物联网(IoT)系统设计的工程师来说，自始至终一直围绕着各种设计挑战。为了有效地完成这一流程，需要有良好的测试与量测策略以及合适的仪器，才能确保及时制订正确的设计决策以及克服潜在的障碍。不仅如此，您还需要按时、按预算提交设计项目。测试与量测策略有时直接涉及项目的成败，物联网设计人员经常面临六项关键挑战：

无线模块选择：市场上有各种无线模块可供选择，而且数量越来越多，模块的选择可能会非常纠结。初次做对选择非常关键，透过精确的测试与量测掌握规格表以外的信息，有助于深入了解这个模块是否能满足设计需求。

数字设计和除错：针对系统级除错，设计团队经常苦于无法搞清楚问题出在模块还是子系统。透过混合域除错对于迅速追踪问题的根源至关重要。

让电池续航力最大化：当电池续航时间的每一分钟都得斤斤计较时，能够准确地建模装置的功耗至关重要。强劲的建模和功率分析功能可以帮助设计人员发掘降低能耗、优化电池续航力的机会。

通过EMI和EMC认证：物联网制造商必须了解如何为自家产品适当地增加无线功能，并跟上当前以及新兴放射测试和一致性测试的步伐。

无线标准认证：不管是使用Wi-Fi、蓝牙或ZigBee，都必需根据选择的标准对新产品进行认证。如果无法通过认证，就必须重新设计，这不仅会耽误最终产品发布时间，还会增加开发成本，以及错失产品上市良机。

处理讯号干扰问题：2.4GHz频谱是低成本、免授权应用最普遍的运作区域，数百万台无线电装置都位于这个频段。使用免授权频谱极具吸引力，因为它能节省成本，但它仍无法避免其他装置使用相同频段和频道所带来的干扰。

尽管每一步骤都各有其障碍和要求，但IoT设计团队最经常遇到的障碍主要位于除错、电池续航力优化和先期一致性测试等领域。如果未能充份着重于这三个领域，很可能遇到意想不到的障碍，或更糟糕的是无法实现可靠性或达到设计目标等。以下讨论能让设计团队高枕无忧的一些小技巧与策略。

除错物联网装置

传统上，大多数应用的无线装置主要由资深的RF工程师设计。但是，现在有数不清的无线模块设计到硬件中，而不要求设计人员具备强大的RF设计经验。这些模块拥有多种功能，单价成本却越来越低，无疑地将有助于促进IoT装置的爆发成长。

图1：测试支持Wi-Fi的IoT装置时，可能面临天线调校到软件验证等问题

根据所设计的装置功能需求，通常仍必须包含部份数字和模拟电路，并确保无线模块如预期地运作。图1显示典型IoT装置中内建Wi-Fi模块、DC电源模块以及特定IoT装置所使用的部份硬件。我们发现它有几个潜在的问题，并试着轻松进行测试和除错这些问题。

在装置上电时，最重要的是要知道它是否在传送讯号。如果有讯号，可能还要检查讯号频率是否和预期的一致，以及讯号功率级和线性度是否正确。

频谱分析仪为测试这些特性提供了最简单的方式。它不仅能指示是否存在讯号，还可测量其频率和功率级。此外，可能还得译码讯号或从讯号中撷取数字数据。在此例中，向量讯号分析仪(VSA)至关重要。

当然，无线电只传输所需要的讯号。换句话说，图1中的「客户应用」模块是装置的大脑，它将经由编程控制所有的模块，包括无线电。

例如，如果无线电未按预期方式传输讯号，必须找出原因。是因为把不正确的控制讯号传送到无线电？还是发送的总线指令不正确？或是为无线电供电的电源有问题？

为了除错设计的RF、模拟和数字部份，必须使用示波器，因为它能同时撷取所有的讯号，包括时域(传统示波器功能)和频域(传统频谱分析仪功能)讯号。

图2：混合域示波器能测量与时间有关的RF、模拟和数字信道，且有助于隔离问题的根源

最新的混合域示波器包括一条专用的频谱分析仪通道，可用于同时撷取所有讯号(图2)。时间相关性用于交叉关联所有可能的问题。例如，如果无线电无法按预期方式传输讯号，那么既要监测传送到无线电的控制总线指令，还要监测RF讯号，以便能显示问题本身，同时掌握导致问题发生的原因。

接收机测试

此外，还必须测试IoT无线电模块的接收机能否撷取相应的RF讯号，并检查它是否滤除了不想要的RF讯号。

接收机灵敏度测试是所有无线接收机的常见要求，以确保装置顺利接收并译码相应的讯号。在大多数情况下，需要以合理的功率级产生理想的讯号，然后逐渐把功率降低到装置无法再接收和译码讯号的程度。如果测得的讯号强度低于“接收机灵敏度”要求，那么装置就能通过测试。

图3：设置接收机阻塞测试需要两台VSG和一台RF混频器

根据相应的无线电标准产生RF讯号的最简便方式是使用向量讯号产生器 (VSG)，它能产生经调变的RF讯号(将数字信息编码至讯号上)，从而创造和传输量不同的无线电讯号。

此外还必须检查接收机是否能阻挡不想要的RF讯号，同时接收和译码想要的讯号。这可能包括另一台相同装置所产生的讯号，但透过另一信道上传输讯号。接收机阻塞测试可实现这种操作。如图3所示，这项测试需要两台向量讯号产生器和一台RF混频器。

让电池续航力最大化

典型的IoT装置至少包含一个传感器、一个处理器和一个RF芯片，并能以不同的状态运行，在几十微秒内消耗的电流从几百奈安培(nA)到几百毫安(uA)。表征低功耗装置并不容易，但它能确保持续位于特定的功率范围。如图4所示，其面临的挑战包括：准确地撷取电流的宽动态范围、随时间撷取复杂且快速的发射模式电流波形，以及确保为待测物(DUT)稳定提供准确的功率等。

图4：最大限度延长电池续航时间的测试并不轻松…

为了实现这一点，IoT装置中的各种电流可能都需要测量，如图5所示。此例采用7位半图形取样数字万用电表(DMM)以评估能量采集装置。该装置内建温度传感器和光传感器。当透过太阳能电池采集能量时，它能回报电池电量。在进行操作时，每秒回报30秒的传感器信息后进入睡眠模式；在主动模式下，发射/接收事件消耗大部份功率，约29mA；而在睡眠模式下仅消耗约70nA。

图5：使用图形取样万用电表(Keithley DMM7510)评估以太阳能电池供电的IoT装置之功率特性

许多IoT设计人员都纠结着一个共同的问题：应该使用什么仪器准确评估IoT装置的功耗特点？是电流表？还是带有电压或电流探棒的示波器就够了？

表1比较当今市场上常用的电流测量仪器及其最重要的功能。正如所想象的，每台仪器都有各自擅长的领域。例如，示波器和探棒特别适合测量高电流和快速瞬态讯号。皮安培计和典型DMM更适合测量低电流，但速度不一定好。图形取样万用电表在市场上相对较新，较传统仪器提供更加完善的功能。

表1：让电池续航力最大化是IoT设计人员面临最棘手的量测挑战之一，他们需要能够同时处理低电流和高电流的仪器

先期一致性无线测试

在经认证的实验室为IoT设计进行完整的一致性测试通常需要大量的成本，首次通过的成本即高达30,000美元，如果必须反复进行测试，成本还会增加。即使公司内部就有完整的一致性测试实验室，在实验执行时也得花费大量的时间。再加上如果测试失败，就必项重新设计后再进行测试，不仅旷日费时，也导致成本攀升。如图6所示，最好在设计周期结束之前进行先期一致性验证，减少实际测试期间发生失败的风险。

图6：使用频谱分析仪进行先期一致性测试，大幅降低昂贵的测试失败风险

相较于完整的一致性测试，先期一致性测试程序并不一定兼容于国际标准，其目标只是在发现潜在问题，以及降低一致性测试阶段失败的代价和风险。使用的设备也许并不兼容，或者精确度和动态范围低于标准接收机，但只要在测试结果中增加足够的余裕就行了。先期一致性测试一般要求以下设备：

搭配峰值检测器的频谱分析仪(可选用准峰值检测器)

前置放大器(选用)

搭配非金属支架的天线，用于辐射放射测试

用于传导放射测试的线路阻抗稳定网络(LISN)

传导放射测试用的功率限制器

用于诊断测试的近场探棒(选用)

传导放射测试

图7显示传导放射测试的先期一致性测试设置时，先以笔记本电脑使用的通用AC-DC电源配接器作为DUT。针对传导放射测试，必须使用LISN而非天线。基本上它是一个置于AC或DC电源与DUT之间的低通滤波器，用于产生一个已知的阻抗，并提供RF噪声测量端口。它还能隔离不理想的RF讯号与电源。增加前置放大器也是提升DUT讯号电平的好办法之一。

图7：使用线路阻抗稳定性网络(LISN)进行传导放射测量

在此例中值得一提的是，在60或50Hz电源上传导的干扰在某些情况下也会发生问题。尽管大多数的传导EMI测试规定测量的频率范围为9kHz~1GHz，但有必要时最好在更低频率范围测量讯号。

为了获得最佳的传导EMI 测量结果，最好使用两个LISN：一个用于为DUT提供规定的阻抗；另一个用于连接频谱分析仪或接收机。无论如何至少要有一个LISN。由于这是一种经济型电源，因此传导放射在大约172Hz时很自然地超过上限(图8)。

图8：传导放射测试在经济型电源频谱低端发现的超限情况

辐射放射测试

在选择测试地点进行辐射放射测试时，最好挑选一个能最小化外部讯号源的位置。农村地区、会议室或地下室都是不错的地点，因为这些场所可能让试图测量的DUT放射讯号被遮蔽的程度降至最低。图9是典型的辐射放射测试设置。

针对这方面的测量，可以使用三个成本非常低的PCB对数周期天线，以及一个双锥天线。将这些天线安装在三脚架上，以便于部署。天线因子(AF)和线缆损耗应输入于频谱分析仪中，以便校正磁场强度。双锥天线用于20~200MHz频率，在此频率范围的波长越长需要越大的天线；背景噪声也可能是个问题，因为它包括许多无线广播频率。

图9：进行辐射放射测试的测试设置，并尽可能选择一个能使外部讯号噪声减至最低的地点

先期一致性测试通常分别以距DUT不同的距离进行，例如1公尺和几公分等。缩短DUT与测试天线之间的距离，增加了DUT讯号强度与RF背景噪声之比。遗憾的是，近场结果并不能直接转换成EMI一致性测试中所使用的远场测试，因此切莫轻易下结论。增加前置放大器也可以有效提升相对的DUT讯号级。

在DUT上电之前，应该先评估和表征测试环境的特性。极限线路与环境噪声层之间有足够的讯号空间吗？是否有可以减少的已知讯号？需要把测试设置移至更安静的环境吗？

一旦接受现有的背景噪声，就可以为DUT上电了。两项测量作业之差就在于来自DUT的放射，如图10所示。在此例中评估了通过EMI一致性测试的Wi-Fi展示板，因此并未侦测到故障。好消息是如果正确设置了测试，而且当未接近极限线路，那么就可以准备进行一致性测试了。

图10：在VHF频段清楚地看到广播讯号(但此例中的超限情况与DUT无关)

无线IoT装置的另一重要方面是「意图辐射器」(intentional radiator)测试。意图辐射器是指在执行功能时会广播无线电能量(而非红外线或超音波能量)的任意装置。意图辐射器也存在非意图测试方面的要求。由于内部电路之故，在装置设计使用的频率之外也可能发生辐射放射。

在为这一类测试选择频谱分析仪时，考虑重点在于它至少要能撷取到装置内部辐射讯号的第三阶谐波(或甚至更高)。意图辐射器的测试设置与辐射放射设置相同。但此例中关注的频率限于规格(如Wi-Fi、蓝牙等标准)指定的辐射频率与频率屏蔽。

结语

IoT不再只是一种炒作，它带来了机会，可望透过智能装置和分析为客户创造更多价值。对于打造IoT装置的团队来说，硬件只是一个开始——它为打造软件和分析功能奠定基础。

当克服上述的挑战后，就能奠定坚实的基础，让IoT设计更实用也更有弹性。这些IoT就绪的测试套件并不一定很贵或很难，但有助于朝向成功迈出第一步。