轻松通过WLAN发射机预一致性测试须知

　　光有智能小玩意已经不够了。任何小玩意如果想吸引消费者注意，不仅要智能化，还要联网化。联网化意味着设计中还必须有无线功能。无线技术带来了许多新的设计可能，并开始出现在某些不寻常的地方。下面列举了一些比较有趣的实例：

　　· 初创公司Velo Labs正在开发一种采用太阳能提供动力的自行车锁，它可以挂到Wi-Fi网络上，在车锁的动作检测器感应到自行车可能被盗时，会向自行车主的智能手机发送警报。

　　· Oral-B的一种新型智能电动牙刷采用无线技术，捕获与用户刷牙习惯有关的信息，其可望成为牙科记录的一部分。这到底算不算好事还有待消费者来评判。

　　当然，其意义在于在货架上、在工作中或有待想象的数千种产品将采用某种低功率无线功能，满足消费者需求，或者可能会成为所谓的物联网的一部分。

　　对联网的所有这些需求极具挑战性的部分是产品制造商必需学习怎样在产品中增加无线功能，但许多制造商几乎没有RF经验。最常用、也是最实用的方法是在设计中直接采用预封装的WLAN模块。这些模块的市场正以两位数的速度强劲增长，而且预计还会持续增长，也就不足为奇了。

　　尽管使用无线模块消除了许多技术问题，如图1所示，但还需要做许多决策。最关键、也是最棘手的任务是确保最终产品满足复杂的FCC和国际法规要求。一致性测试是穷尽式测试，耗费时间长，在产品开发的这个阶段测试失败可能会导致昂贵的重新设计及耽误产品推出。

　　正如流程图第6步所显示的那样，法规预一致性检查对避免这些最坏情况场景至关重要。幸运的是，可以在内部使用经济的、熟悉的测试设备，执行预一致性测试，确保采用无线技术的产品实现很高的第一次就通过一致性测试的概率。其目标是提前发现潜在问题，降低一致性测试阶段高昂的测试失败风险。

　　图1. 使用无线模块降低了设计复杂度，但也涉及许多重要步骤，最关键的是要确保在设计阶段通过法规一致性测试。

　　从第一次无线传输开始，频谱辐射就一直是设计工程师关注的课题。世界各地的法规机构都设置了辐射水平极限，规定了一致性测试的测量方法。正式认证必须在产品可以销售前完成，必须在独立实验室完成，每天成本在5，000 - 10，000美元，而且还没包括差旅费和其他开支。

　　使用市面上的模块，即使是已经自行认证的模块，也不一定能使获得认证的工作变得大大简便。这是因为还必须测试和质检完全组装好的成品。PC电路板布线、天线设计和方向或系统交互等设计问题可能会导致产品不能满足认证要求。

　　通过利用仪器，可以轻松得多地在设计阶段辨别这些问题。这些仪器不仅让设计人员在自己的测试台上执行全系列预一致性测试，还帮助设计人员识别可能导致产品未能通过正式测试的问题的根本原因。

预一致性测试与全面一致性

　　在无线模块系统集成后将进行预一致性测试，以确定设计中的任何问题区域。预一致性测试不一定需要与每一项国际标准对应，因为目标只是发现潜在问题，减少在昂贵的一致性测试阶段测试失败的风险。使用的设备也不一定包括标准要求的每种功能和规范，如果测试结果运用足够的余量，其精度和动态范围可能会低于满足标准的接收机。

　　拥有通用滤波器和检测器的通用频谱分析仪是预认证和EMI放射测试的很好的入手点。但是，在进行更完善的分析时，最好使用WLAN特定测试和认证解决方案，支持IEEE 802.11标准要求的全系列测试和分析。特别是在基于混合域示波器、并与矢量信号分析软件相结合时，这样的解决方案允许设计人员把时域中的事件与频域分析关联起来，快速识别可能导致产品认证失败的问题。例如，时域中只在唤醒过程中发生的毛刺可能会在频域中导致带外辐射。

　　一个常见的问题通常涉及怎样比较全面一致性测试使用的准峰值（QP）检测器与预一致性测试一般使用的比较简单的峰值检测器。实际上，在开始测试时，外部实验室一般先使用简单的峰值检测器进行扫描，找到超过或接近规定极限的问题区域。对接近或超过极限的信号，他们将执行准峰值测量。

　　准峰值检测器是EMI测量标准规定的一种特殊的检测方法。准峰值检测器用来检测信号包络加权后的峰值（准峰值）。它根据信号持续时间和重复率对信号加权。信号发生频次越高，与偶发脉冲相比，准峰值测量数据越高。

　　图2：这个实例说明了峰值和准峰值检测对8 µs脉宽和10 ms重复速率的信号的影响。准峰值比峰值低10.1 dB。

　　一个良好的法则是准峰值将一直小于等于峰值检测，永远不会大于峰值检测。因此，您可以使用峰值检测，进行EMI调试和诊断。您不需要精确到EMI部门或实验室扫描水平，因为它们都是相对的。如果您的实验室报告使用准峰值检测器显示设计超出3 dB，峰值检测显示超出6 dB，那么您需要实现补丁，把信号降低-3 dB或以上。

　　本文选自电子发烧友网8月《无线通信特刊》Change The World栏目，转载请注明出处！

　　预一致性探测技术

　　全面EMI一致性测试实验室中使用EMI接收机和精心校准的天线，在3米或10米距离上测试电子器件。换句话说，测量在远场中完成。在本质上，远场测试可以准确地区分产品整体上是通过测试还是测试失败，但不能指出问题的来源。在只使用远场测试时，用户不能把问题隔离到具体元器件或位置，比如在打开金属机箱时“泄漏”出太多的RF能量，也不能帮助识别放射出太多RF能量的电缆。近场测试是定位此类辐射来源的唯一途径，一般使用频谱分析仪和近场探头执行近场测试。

　　图3所示的EMI近场探头是一种电磁捡拾装置，用来捕获关心区域的电场（E）或磁场（H），与频谱分析仪一起使用。制造商提供了成套探头，在尺寸、灵敏度和频率范围之间实现最佳均衡，您可能需要工具箱中所有尺寸，才能解决问题。选择磁场探头还是电场探头可能取决于信号在设计中的位置、信号源特点（电压或电流）等等。例如，存在金属屏蔽可能会抑制电场，在应用中必需使用磁场探头。必须使用近场探头捡拾被测器件附近的信号。

　　图3：近场探头用来发现非预计的RF辐射的位置。

　　电压探头与示波器和频谱分析仪一起使用，直接连接到关心的电路上。传统示波器探头可以与频谱分析仪一起使用，视探头的阻抗，会导致灵敏度损失。例如，把一只500欧姆Z0示波器探头连接到一台50欧姆频谱分析仪上，会导致10:1分路器及到频谱分析仪输入的信号下降20dB。但是，在直接连接电路时，信号一般很大，即使信号电平下降，频谱分析仪仍能看得见。此外，频谱分析仪的噪底和灵敏度一般要比示波器好几个量级，因此探头损耗很少会成为限制因素。电压探头必须直接连接到电路上，才能捡拾信号。

　　预一致性测试的三个基本步骤

　　对预一致性测试，频域分成3个子域或区域，如图4所示。表1显示了北美和欧洲的2.4 GHz频段WLAN一致性测试要求。每个子域都有单独的法规，在产品推向市场前，无线设备实现者需要成功完成“3步频谱预一致性测试”。这些步骤是：

　　· 带内（信道）域：检查发射功率输出、发送带宽和功率频谱密度、等等。

　　· 带外域：检查频谱辐射或邻道功率比（ACPR）。模板通常由IEEE等通信标准规定。

　　· 杂散域：检查杂散辐射水平。

　　图4. 对预一致性测试，频域分成三个子域。

　　发送功率测量

　　在规划或更新无线设备安装时，通常必需确定无线设备能否实现一定的传输距离。但是，这些信息不会打印在无线设备和天线的技术数据中。可以允许的最大输出功率根据地区法规机构规定的方法测量。因此，您需要检查标准和法规，确保设备能够通过一致性测试。图5说明了使用矢量信号分析软件及频谱分析仪执行这一测试的步骤。

　　必需指出，某些WLAN信号超出了分析仪能够执行发送功率测量的带宽。例如，802.11ac信号要求至少160 MHz的带宽，才能执行突发功率测试。

　　图5：这个实例说明了执行IEEE 802.11g 发送功率测量的步骤。

　　功率频谱密度测量

　　功率频谱密度（PSD）是每个单位频率内的功率。例如，FCC要求在连续传输的任何时间间隔内，在任何3 kHz频段中，从故意辐射体传导到天线的功率频谱密度不得大于8 dBm，您需要把频谱分析仪中心频率设置成通道中心频率，把RBW设置成3 kHz，使用峰值检测器和标记确定最大幅度电平是否大于8 dBm。

　　图6： IEEE 802.11g 功率频谱密度测量

　　占用带宽测量

　　占用带宽是衡量包含指定百分比的总信号功率的频段带宽的指标。占用带宽（OBW）测量信号在分配信道内占用多少带宽。一般来说，OBW用分配信道带宽内总功率的百分比指定，如99%或X dB以下带宽。在图6所示的例子中，FCC要求最低6dB带宽至少应为500 kHz，因此您需要进行6 dB以下占用带宽测量。

　　图7： IEEE 802.11g 占用带宽测量

　　频谱辐射模板测量

　　一旦设备的发射功率输出满足带内合规要求，您可以转向测试带外辐射。频谱模板是以数学方式定义的、应用到无线传输电平的一套线。这个模板提供了允许信号功率分布到通道中的极限。它为标准的每个变通方案都规定了发射频谱模板。一般来说，频谱辐射模板（或带外）域从必需带宽（分配的通道带宽）0.5倍的频率偏置开始，一直扩展到必需带宽的2.5倍。例如，20 MHz带宽802.11g信号的IEEE辐射模板域是距中心频率±10 MHz到±50 MHz频率偏置。图7显示了这一测量流程。

　　图8： IEEE 802.11g频谱辐射模板测量流程。

　　杂散辐射测量

　　杂散辐射是非故意产生或发送的任何无线频率，特别是在正常情况下产生其他频率的设备中。发射机分配信道以外的谐波或其他信号将被视为杂散辐射。许多本地法规标准，如美国的FCC，提供了一定的不想要的辐射域的杂散辐射功率的极限（可以允许的值）。在图8所示的实例中，极限线从这个保存的设置文件中加载，对标准中确立的每个频率区域有相应的设置 。

　　图9： IEEE 802.11g 杂散测量流程。

　　克服RF集成复杂性

　　许多制造商认为，他们只需要购买一个无线模块，然后只需很少的工作就可以使产品获得认证，准备上市。然而即使是相当简单的集成工作，仍有许多潜在的问题领域，有许多必须满足的复杂的法规要求。考虑到前往一致性认证机构的时间成本，预一致性测试成为必须。

　　然而，检查所有标准和法规不仅十分困难，而且耗时很长。即使已经收集了所有法规信息，但您仍需熟悉测试设备，确保正确设置所有测量。事实上，预一致性测试程序可能会在频谱分析仪中增加几百次操作。

　　为了简化这一过程，测试测量供应商已经着手提供分步指引或向导，使用混合域示波器或频谱分析仪为WLAN器件执行预一致性测量。此外，诊断不限于预一致性测试。这些工具还支持全面诊断和调试，确保RF系统能够实现规定的性能水平，而不会被集成系统的其他部分劣化。

　　关于作者

　　Xiao Li现为泰克公司产品线应用工程师，其重点是商用无线、频谱管理和RF教育应用。他于2012年加入泰克。他毕业于沈阳理工大学，获得理学士学位；后毕业于美国俄勒冈波特兰州立大学，获得理学硕士学位和博士学位。他还曾作为波特兰州立大学的兼职教授。他的科研兴趣包括无线通信和信号处理。