解決物聯(lián)網(wǎng)測(cè)試的五個(gè)主要挑戰(zhàn)

在未來幾年中，人工智能，5G，物聯(lián)網(wǎng)和工業(yè)自動(dòng)化（IIoT）的進(jìn)步將加快行業(yè)變革和創(chuàng)新的步伐?？缧袠I(yè)的各種物聯(lián)網(wǎng)傳感器將用于自動(dòng)數(shù)據(jù)傳輸和遠(yuǎn)程設(shè)備控制。在萬物互聯(lián)時(shí)代，連接將變得司空見慣。 Gartner預(yù)測(cè)，到2020年，將使用超過200億個(gè)IoT設(shè)備。

2019年是5G商業(yè)用途的新起點(diǎn)。結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備，5G的增加帶寬，更快的速度和更低的延遲將帶來以前認(rèn)為不可能的應(yīng)用程序，并且物聯(lián)網(wǎng)將繼續(xù)滲透到多個(gè)行業(yè)，例如制造業(yè)，交通運(yùn)輸，醫(yī)療行業(yè)，消費(fèi)領(lǐng)域等。

隨著創(chuàng)新步伐的加快，工程師，設(shè)計(jì)師，供應(yīng)商和制造商將面臨更快的市場(chǎng)壓力。對(duì)于物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備，與以前的設(shè)計(jì)相比，每一代產(chǎn)品都需要更小，更強(qiáng)大，更易于配置且功耗更低。由于許多物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備都由電池供電，因此節(jié)能至關(guān)重要。必須使用低功率組件，并且不使用時(shí)必須關(guān)閉這些組件的電源。為了優(yōu)化電池壽命，必須在實(shí)際情況和條件下對(duì)組件進(jìn)行測(cè)試，以確保選擇了正確的組件以最大化IoT設(shè)備的壽命。

物聯(lián)網(wǎng)挑戰(zhàn)＃1-電源管理

由于IoT設(shè)備通常部署在遠(yuǎn)程或移動(dòng)環(huán)境中，因此大多數(shù)設(shè)備使用電池作為其主要電源。了解設(shè)備的功耗曲線是確保設(shè)備在使用期內(nèi)獲得最大可靠性和性能的關(guān)鍵。

為了完全表征IoT設(shè)備的功耗，必須在通常遇到的所有操作條件下對(duì)其進(jìn)行測(cè)量。由于IoT設(shè)備旨在最大程度地降低功耗，因此它們可能僅在短時(shí)間內(nèi)處于活動(dòng)狀態(tài)，并且其大部分壽命處于“睡眠”模式。

在所有工作模式下準(zhǔn)確測(cè)量設(shè)備的功耗曲線可能會(huì)遇到如何使用常見電流測(cè)量技術(shù)（例如分流器，數(shù)字萬用表DMM或電流探頭）的挑戰(zhàn)。在睡眠模式下，電流可能在“ nA”或“ uA”范圍內(nèi)；在活動(dòng)模式下，例如，當(dāng)傳輸數(shù)據(jù)時(shí)，電流可能突然改變?yōu)椤?mA”至“ A”的范圍。此外，電流需求的這些大峰值通常在幾微秒內(nèi)發(fā)生，對(duì)于某些測(cè)試儀器而言，功率轉(zhuǎn)換可能更具挑戰(zhàn)性。

盡管在正確的環(huán)境中使用時(shí)它們可能非常準(zhǔn)確，但由于涉及的動(dòng)態(tài)范圍較大（可能需要多個(gè)分離器），因此使用電流分離器進(jìn)行此類測(cè)量可能會(huì)出現(xiàn)問題。即使使用多個(gè)分流器，也可能需要分別測(cè)試活動(dòng)模式和睡眠模式，這使得難以獲得實(shí)際電流損耗。此外，由于固有的電壓降，如果選擇一個(gè)太大的值以最大化測(cè)量的動(dòng)態(tài)范圍，則分流器本身就有影響測(cè)試設(shè)備的風(fēng)險(xiǎn)。

物聯(lián)網(wǎng)挑戰(zhàn)＃2信號(hào)和電源完整性

混合信號(hào)集成電路通常用于IoT設(shè)備的設(shè)計(jì)中，包括傳感器/ MEMS，在同一集成電路上以較低功耗工作的模擬和數(shù)字信號(hào)，并且它們對(duì)串?dāng)_非常敏感。低功率配電網(wǎng)絡(luò)通常具有很小的工作容差，這會(huì)增加電源線上的紋波和噪聲干擾的機(jī)會(huì)，這可能會(huì)對(duì)時(shí)鐘和數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)產(chǎn)生不利影響。許多物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備需要在小的物理結(jié)構(gòu)中密集的高速信號(hào)通道，這增加了串?dāng)_和耦合的風(fēng)險(xiǎn)。

使用良好的信號(hào)完整性設(shè)計(jì)原則（如果可能，使用點(diǎn)對(duì)點(diǎn)信號(hào)路由拓?fù)洌?，控制整個(gè)PDN和互連的走線阻抗，使返回路徑長(zhǎng)度短，并在相鄰走線之間保持足夠的空間以減少空間耦合，都有助于減輕信號(hào)完整性問題。盡管遵守諸如此類的良好設(shè)計(jì)原則對(duì)于實(shí)現(xiàn)可靠的設(shè)計(jì)是必不可少的，但全面表征在整個(gè)設(shè)備中承載信號(hào)的結(jié)構(gòu)的電氣性能的能力也是必不可少的。

矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀（VNA）是表征任何互連或傳輸線電氣性能的最常用工具之一。影響信號(hào)完整性的重要特性，例如插入損耗，衰減，反射，串?dāng)_，延遲和差模至共模轉(zhuǎn)換，都可以通過為應(yīng)用正確配置的VNA進(jìn)行評(píng)估。此外，某些VNA可以（通常通過軟件選件）對(duì)s參數(shù)測(cè)量進(jìn)行時(shí)域轉(zhuǎn)換，從而顯示通道的脈沖響應(yīng)。

關(guān)于電源完整性，最近開發(fā)的電源導(dǎo)軌探頭有助于在電源導(dǎo)軌上進(jìn)行超低噪聲測(cè)量。它與示波器結(jié)合使用。根據(jù)制造商的不同，這些探頭的特性通常包括：

選擇正確的工具來檢測(cè)信號(hào)和電源完整性問題對(duì)于完全識(shí)別和解決性能不佳的原因以及驗(yàn)證設(shè)計(jì)的真實(shí)性能非常重要。 VNA，電源軌探頭和示波器只是幫助實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)的一些工具。

物聯(lián)網(wǎng)挑戰(zhàn)＃3-無線標(biāo)準(zhǔn)兼容性

無論您是開發(fā)通過Zigbee或Wi-Fi進(jìn)行短距離連接的設(shè)備，還是通過LoRa或LTE-M進(jìn)行長(zhǎng)距離連接的設(shè)備，選擇的無線協(xié)議都將決定設(shè)備的連接方式自動(dòng)測(cè)量設(shè)備，并且世界分享數(shù)據(jù)的方式。

通過遵循無線標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)范來確?；ゲ僮餍允谦@得最大市場(chǎng)影響力的關(guān)鍵。與EMI / EMC一樣，在設(shè)計(jì)周期的早期進(jìn)行測(cè)試可以幫助您識(shí)別可能導(dǎo)致延遲的問題，并在認(rèn)證階段之前提高開發(fā)設(shè)計(jì)的成本。

可以生成符合標(biāo)準(zhǔn)的信號(hào)的矢量信號(hào)發(fā)生器和可以解調(diào)這些信號(hào)的頻譜/信號(hào)分析儀，是根據(jù)所選無線標(biāo)準(zhǔn)評(píng)估設(shè)備性能的理想工具。

物聯(lián)網(wǎng)挑戰(zhàn)＃4-EMI / EMC和共存測(cè)試

我們可以將EMC定義為一種產(chǎn)品是否達(dá)到預(yù)期性能的度量，并且它不會(huì)妨礙其他產(chǎn)品在共享操作環(huán)境中達(dá)到預(yù)期性能的能力。 EMI也可以定義為阻止設(shè)備按預(yù)期運(yùn)行的任何電磁能。隨著無線通信設(shè)備數(shù)量的不斷增長(zhǎng)，操作環(huán)境中的電磁噪聲也會(huì)增加，并且由于干擾而導(dǎo)致性能下降的風(fēng)險(xiǎn)也會(huì)增加。

盡管使用預(yù)先認(rèn)證的RF模塊可以幫助減少完成的設(shè)備未通過EMC法規(guī)遵從性測(cè)試的可能性，但不能保證最終產(chǎn)品符合相關(guān)要求。

從設(shè)計(jì)開始就使用良好的EMI工程對(duì)策，并在一致性測(cè)試階段（預(yù)一致性測(cè)試）之前評(píng)估設(shè)備的實(shí)際電磁兼容性性能，有助于避免成本高昂的重新設(shè)計(jì)和延誤產(chǎn)品的上市時(shí)間

在物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備市場(chǎng)中，醫(yī)療設(shè)備市場(chǎng)近年來發(fā)展迅速。能夠傳輸實(shí)時(shí)生命體征的設(shè)備（無論是固定的，可穿戴的還是可植入的）在醫(yī)院和家庭護(hù)理環(huán)境中越來越普遍。像其他物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備一樣，醫(yī)療設(shè)備也可能成為操作環(huán)境中的干擾源和接收者。但是，考慮到它們?cè)谔峁┽t(yī)療服務(wù)中的用途，如果它們無法按預(yù)期運(yùn)行，則可能會(huì)導(dǎo)致生命危險(xiǎn)。

由于這些無線設(shè)備的關(guān)鍵功能，共存測(cè)試已成為物聯(lián)網(wǎng)醫(yī)療設(shè)備設(shè)計(jì)過程的重要組成部分。 IEEE / ANSIC63.27是這些標(biāo)準(zhǔn)之一，它概述了測(cè)試過程和方法，以驗(yàn)證無線設(shè)備與在相同RF頻帶中運(yùn)行的其他無線服務(wù)共存的能力。 AAMITIR69是另一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)，為醫(yī)療設(shè)備以及如何基于操作環(huán)境中的潛在危害（包括制造商可能無法控制的外部危害）評(píng)估無線技術(shù)提供了指導(dǎo)。

與EMC測(cè)試一樣，可以將成品發(fā)送到一致性測(cè)試機(jī)構(gòu)進(jìn)行最終測(cè)試。但是，設(shè)計(jì)過程中的初步共存測(cè)試可用于確定設(shè)備對(duì)其他無線電信號(hào)的容忍度，并確?？梢赃_(dá)到可接受的操作水平。如果盡早發(fā)現(xiàn)性能問題，可以在確定最終設(shè)計(jì)之前采用緩解技術(shù)并重新評(píng)估性能。

頻譜/信號(hào)分析儀是EMC預(yù)一致性測(cè)試和共存測(cè)試的關(guān)鍵測(cè)試設(shè)備。盡管完整的EMC測(cè)試需要完全兼容的EMI接收器，但許多現(xiàn)代分析儀仍可以配備軟件包，以幫助促進(jìn)輻射和傳導(dǎo)發(fā)射的預(yù)兼容性測(cè)試，包括帶寬，檢測(cè)器以及CISPR和MIL-STD兼容帶寬。頻段預(yù)設(shè)，國(guó)際公認(rèn)的EMC標(biāo)準(zhǔn)的極限線以及創(chuàng)建用戶可選極限的選項(xiàng)。

共存測(cè)試使用實(shí)時(shí)頻譜分析儀，并使用高速模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）連續(xù)采樣頻譜，然后使用實(shí)時(shí)快速傅立葉變換（FFT）進(jìn)行顯示測(cè)試設(shè)備所在的RF環(huán)境的頻譜視圖。矢量信號(hào)發(fā)生器還用于生成在預(yù)期的模擬操作環(huán)境中遇到的信號(hào)類型，例如WiFi和藍(lán)牙。

物聯(lián)網(wǎng)挑戰(zhàn)＃5-RF無線連接的性能

盡管某些物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備將使用有線通信，但大多數(shù)將依靠某種形式的無線技術(shù)來訪問網(wǎng)絡(luò)。在決定如何最好地實(shí)現(xiàn)無線通信時(shí)，物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的設(shè)計(jì)人員會(huì)面臨許多決定。最重要的是確定要使用哪種無線通信技術(shù)和協(xié)議（WiMax，Wi-Fi，Zigbee，BLE，LoRa，Z-Wave，NB-IoT等），以及是否使用預(yù)制的RF無線模塊或內(nèi)部設(shè)計(jì)。

無論如何解決這些設(shè)計(jì)問題，都必須使用適合該任務(wù)的設(shè)備在真實(shí)條件下測(cè)試RF通信的性能。一些常見的測(cè)試包括：

頻譜分析儀/信號(hào)分析儀通常是發(fā)射機(jī)測(cè)量的首選工具，而信號(hào)發(fā)生器通常用于生成接收機(jī)測(cè)量的信號(hào)，而網(wǎng)絡(luò)分析儀通常用于天線測(cè)量。

許多現(xiàn)代信號(hào)發(fā)生器和信號(hào)分析儀為IoT設(shè)備中實(shí)現(xiàn)的最常見的無線通信標(biāo)準(zhǔn)提供軟件應(yīng)用程序支持。它可以生成基于標(biāo)準(zhǔn)的波形，并且可以使用運(yùn)行在測(cè)試設(shè)備本身或帶有遠(yuǎn)程控制的PC上的測(cè)量應(yīng)用程序來分析測(cè)試信號(hào)。如果您的無線連接使用自定義設(shè)計(jì)，那么某些應(yīng)用程序可能會(huì)對(duì)您有所幫助。

結(jié)論

隨著新技術(shù)的發(fā)展和測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)展，物聯(lián)網(wǎng)，云機(jī)器人技術(shù)和自動(dòng)化領(lǐng)域的創(chuàng)新不斷發(fā)展，對(duì)測(cè)試和驗(yàn)證的需求將不斷增加，尤其是為了支持電源管理?，F(xiàn)有和未來的挑戰(zhàn)。所有這些新技術(shù)都需要電源和驗(yàn)證。管理IoT設(shè)備的功能是一項(xiàng)艱巨的任務(wù)，因?yàn)榧词乖谧罹咛魬?zhàn)性的環(huán)境中，也必須始終為這些設(shè)備供電并以最大容量運(yùn)行。

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