[技術文章] 了解複雜的物聯網射頻接收器測試

幾年間，全球將有多達數十億的物聯網（IoT）裝置，經由各種不同的新興無線技術進行連接，而且每一個裝置都可能支援 2 種以上的無線標準。由於許多無線標準都使用相同的免許可頻段，因此物聯網裝置製造商必須對同一通道和相鄰通道的干擾進行分析，確認這些干擾不會對他們的設計產生負面影響。這樣的情形為裝置設計人員帶來巨大的挑戰，因為設計和驗證測試工作將變得更為複雜、耗時且成本高昂。
　　此白皮書提供主要物聯網無線標準的概述、常見的物聯網射頻接收器測試案例，以及精準執行接收器量測的秘訣。

IoT 無線標準概述

　　各式各樣的 IoT 應用都有不同的無線標準和技術支援；而不同的應用，所需的射頻特性也各不同。這些應用包括關鍵型服務、網狀網路、短距或長距以及省電網路。

　　IoT 產業正推動著無線連接技術蓬勃發展。事實上，專家預期低功率無線區域網路（LPWAN）和無線個人區域網路（WPAN）技術將帶來全新和新興應用，並在未來幾年間大幅推動無線連接市場的成長。以下是 IoT 產業主要的無線連接標準：

Bluetooth® 低功耗（BLE）
BLE 是由 Bluetooth 特殊利益團體（SIG）所設計並推向市場的一項 WPAN 技術。BLE 可以顯著降低 Bluetooth 裝置的功耗，讓裝置能夠使用鈕扣電池，維持長達 10 年的運作。Bluetooth網狀結構，使得裝置能夠將資訊向前傳遞到其他 BLE 裝置，以產生對無線 IoT 應用很重要的「網狀」效應。

ZigBee
ZigBee 底層技術是以 IEEE 802.15.4 實體層（PHY）和媒體存取控制（MAC）層為基礎。這兩個規格均提供專為強化共存並降低干擾的諸多功能。ZigBee 本身就支援樹狀、星狀和網狀網路，因此一群裝置可聯合透過數次短跳（short hop），將資料傳遞至上千個節點。

LoRa
LoRa（Long Range）無線技術適用於遠距、低資料速率的機器對機器（M2M）和物聯網應用，以連接遠端感測器和致動器。它使用 VHF、UHF 和 800-930 MHz 免許可頻譜中低於 1 GHz 的無線頻率。LoRa 信號可深入建築物內，到達較高頻裝置無法收訊的地點。

802.11ah（HaLow）
IEEE 802.11 Wi - F i 協定是今日使用最廣泛的無線網路連線技術，並且富有各種變化。802.11ah（HaLow）標準針對低資料速率、遠端感測器和控制器而設計。HaLow 採用時槽分配來避免衝突，確保其在複雜無線環境中的效能。

3GPP NB-IoT
NB-IoT 是第三代行動通訊合作計劃（3GPP）開發的一種 LPWAN 射頻技術標準，可支援各種不同的蜂巢式裝置和服務。NB-IoT 的設計重點為室內覆蓋範圍、長久的電池壽命，以及高連接密度。它使用長期演進技術（LTE）標準下的子集，但頻寬限制在 200 kHz 的窄頻段中。

LTE Cat-M1
LTE Cat-M1 是 LPWAN 無線介面，可讓您以中等的資料速率連接 IoT 和 M2M 裝置。它使用蜂巢式 LTE 許可頻譜，非常適合需要更深的室內覆蓋範圍，對延遲、移動性和資料速度要求較低的應用。

V2X（Vehicle-to-everything）
V2X 通訊技術依照所使用的底層無線標準，分為兩種類型：
1. 專用短距通訊（DSRC）：車用的單向或雙向短距無線通訊，使用 802.11p 提供的底層無線通訊傳輸。

2. 蜂巢式 V2X：3GPP V2X 規格以 LTE 為底層技術，此規格支援經由蜂巢式網路傳輸的廣域通訊。

下方的表 1 列出主要的 IoT 無線標準及其效能特性。

不論是在研發或製造階段，當您需要測試激發源時，Keysight PathWave 信號產生軟體都可讓您輕而易舉地產生進行元件、裝置及接收器分析、驗證和通過/不通過測試所需的 IoT信號。

IoT 射頻接收器測試

我們追求無線通訊無所不在的便利性，但這卻為現今無線通訊系統的實體限制帶來挑戰。當多個 IoT 系統共用一個相同的頻譜，並在擁擠的無線環境下運作，可能會造成系統間的交互干擾。這使得設計、測試及隔離系統問題的程序變得更加複雜。以 Bluetooth、WLAN以及 ZigBee 無線標準最普遍使用的 2.4 GHz ISM 頻段為例。這些標準已行之有年，並享有整合入 IoT 裝置的 IC 和整合式模組的廣泛支援。

圖 1 顯示多個 Bluetooth 和 WLAN 裝置同時運作下，擁擠的 2.4 GHz 頻段。當您對無線IoT 模組的接收器效能進行評估時，請務必將各式各樣的干擾信號納入考量。

圖 2 是數位射頻接收器方塊圖。接收器必須能夠在有潛在干擾的情況下，擷取射頻信號。預選濾波器是接收器的第一個元件，可對天線接收到的頻外信號進行衰減。接著低雜訊放大器（LNA）會加強特定的信號位準，並最低程度地增加雜訊。然後，混頻器會將射頻信號和本地振盪器（LO）信號混合，並將射頻信號降頻為較低的中頻（IF）。最後，IF 濾波器會對混頻器產生的不必要頻率成份，以及來自相鄰通道的信號，進行衰減。在信號通過 IF 濾波器後，接收器設計的差異便表露無疑。

接收器設計是極具挑戰性的工作，因為無線裝置必須處理各種難以預測的輸入信號狀況。此外，您還必須注入雜訊和干擾信號，來分析接收器效能。接下來，我們會介紹常見的接收器測試、測試目的，以及如何設定這些測試系統。

參考靈敏度位準
最低輸入位準測試，可確保無線裝置能以指定的最大封包錯誤率或誤碼率接收資料，此量測使用天線埠進行。進行此測試時，信號產生器會激發接收器的天線埠，以作為理想的發射器，如圖 3 所示。

動態範圍
動態範圍是指當接收通道頻寬中存在干擾時，接收器接收所需信號的能力。雜訊是所有通訊通道的一部分。想要以可重複的方式模擬真實的通道條件，您必須在所需信號中添加隨機雜訊。加成性白色高斯雜訊（AWGN）是一個用於模擬發射器與接收器間通道的數學模型。該模型為寬頻雜訊的線性加成，具有恆定頻譜密度和高斯分布振幅。AWGN 信號是進行動態範圍測試所需的干擾信號。

圖 4 顯示接收器動態範圍效能測試的常見配置。第一個信號產生器輸出 AWGN 信號，第二個產生器則產生所需的射頻信號，接著透過混合結合器結合信號並連接到待測物。

信號產生器之間的信號隔離
請確保兩個信號產生器之間的功率結合器具有充足的隔離（> 60 dB），以免影響到對方的自動位準控制（ALC）運作。否則，來自其中一個產生器的反向功率，可能會讓另一個產生器的 ALC 回送錯誤值，導致產生器輸出錯誤的振幅。

圖 5 描繪載波（所需信號）和 AWGN 之間的頻寬與功率。載波頻寬是載波的佔用頻寬，雜訊頻寬是平坦的雜訊頻寬。實際的平坦雜訊頻寬應比載波頻寬更寬一些（通常是載波頻寬的 1.6 倍）。當您將載波和 AWGN 信號結合以進行接收器測試時，由於增加了雜訊功率，載波會顯得更大。

通道內選擇性
通道內選擇性（同通道抗干擾性），是指在相同射頻通道內接收到干擾信號時，接收器接收所需信號的能力。干擾信號可能是連續波（CW）、窄頻，或是與所需信號同樣類型的信號。

鄰近和替代通道選擇性
鄰近和替代通道選擇性，是指當存在具指定通道偏移量之相鄰通道信號時，接收器接收所需信號的能力。這項量測可驗證如有其他通道正在使用時，接收器能否夠建立並維持連結。相鄰通道選擇性的量測配置，與通道內選擇性配置很相似。

阻隔
阻隔特性是指，當指定通道內存在不需要的干擾時，接收器接收所需信號的能力。第一個信號產生器在特定功率位準下，提供接收器所需的信號。第二個信號產生器則通常在高輸出功率位準下，提供指定的調變或 CW 干擾信號。調變信號會和其他無線裝置進行同位模擬，但是使用不同的無線格式。

在有些案例中，一個 2.4 GHz ISM 頻段的無線裝置，其最大干擾信號頻率可達 12 GHz。它的量測配置類似通道內選擇性配置，但頻率範圍較高。

秘訣：選擇相位雜訊效能較佳的信號產生器

測試和干擾信號的頻譜特性很重要。對許多接收器來說，用來產生干擾信號的信號產生器之相位雜訊，是一項關鍵的頻譜特性。如果 IF 濾波器帶通內的相位雜訊能量過高，則接收器可能無法通過測試。

接收器雜散放射
接收器雜散放射功率，是接收器在天線連接器上產生或放大的放射功率。此測試的目的是，限制接收器雜散放射對其他系統造成干擾。建立此量測配置時，您需使用一個發射器陷波濾波器，將接收器輸出端連接到頻譜分析儀，並終止所有發射器及未測試的接收器，如圖 7 (量測雜散放射所示)。

FDD vs. TDD 系統
對分頻多工（FDD）系統而言，雜散量測需在開啟發射及接收功能時進行。
而分時多工（TDD）系統則需在關閉發射器時進行，以滿足測試需求。

接收器交互調變
如對兩個干擾射頻信號進行三階或更高階混頻，可能在接收器指定通道的頻段內，產生交互調變信號，這類信號可能會減損接收器的靈敏度。在這個測試案例中，您需要一個信號產生器來產生所需信號，以及兩個信號產生器來當作干擾信號源，如圖 8 所示。

圖 8：接收器交互調變量測配置

避免來自信號產生器的交互調變產物
每當兩個信號輸入到同一個結合器中，信號產生器間的非線性關係，很可能會產生交互調變產物。以下是一些可以減少信號產生器之交互調變產物的技巧：
• 在干擾信號之間維持一個大於信號產生器之 ALC 頻寬的頻率間隔。
• 在信號產生器輸出端添加衰減器。
• 使用混合結合器。
• 使用隔離器。
• 關閉信號產生器的 ALC。

請注意，您可同時使用這些技巧來減少交互調變產物。

圖 9：使用通道模擬器進行接收器效能測試的實用配置

產生 AWGN 信號所需的專用信號產生器
AWGN 可模擬發射器和接收器.ll.o.之間的系統雜訊。您無法使用向量信號產生器，產生接收器效能測試所需的信號和AWGN。AWGN 不適用於衰退、交互調變和干擾之接收器測試。

選擇合適的工具
不論您的 IoT 裝置是使用單一無線格式，或是需要整合多個格式，若能快速取得正確的測試信號，將有助於精簡驗證流程並確保互通性。Keysight PathWave 信號產生軟體具備一套靈活易用的信號產生工具，可縮短進行信號模擬所需的時間，進而加速完成工作流程。

Keysight X 系列信號產生器（CXG、EXG 和 MXG）經過特別設計，支援眾多的 Keysight PathWave 信號產生軟體，其中有許多機型都能夠滿足複雜且快速激增的 IoT 無線連接標準的信號產生需求。是德科技積極參與各標準委員會並扮演領導者角色，確保在標準不斷演進時，PathWave 信號產生軟體可隨時與最新規格同步。

選擇對的信號產生器，您可以產生值得信賴的、符合最新技術和無線標準的信號。