- 如何測量系統(tǒng)中時間相關(guān)的時域和頻域信號
- MDO4000 可解決調(diào)試跨域的時頻相關(guān)的系統(tǒng)測試工具
物聯(lián)網(wǎng)行業(yè)的發(fā)展趨勢與設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)
隨著現(xiàn)代傳感器技術(shù)和無線通信技術(shù)的發(fā)展,物聯(lián)網(wǎng)已經(jīng)開始進(jìn)入人們的日常生活。以RFID、ZigBee技術(shù)和NFC近場通信等技術(shù)為代表的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用,正在成為眾多企業(yè)、高校研發(fā)和創(chuàng)新的方向。雖然針對這些技術(shù),半導(dǎo)體廠商提供了各種專用芯片,甚至是集成度很高的解決方案,但在設(shè)計(jì)一個實(shí)際的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備時,工程師仍然面臨著很多挑戰(zhàn)。其中一個最重要的因素是如何測量系統(tǒng)中時間相關(guān)的時域和頻域信號。RFID和ZigBee技術(shù)中應(yīng)用到的RF信號雖然不是十分復(fù)雜,但信號的質(zhì)量、功率和時序關(guān)系決定著系統(tǒng)能否正常工作。而這些RF參數(shù)本身不僅和射頻發(fā)射/接收電路有關(guān),還受到基帶電路和控制電路的影響。內(nèi)部寄存器的讀寫、電源的工況甚至是系統(tǒng)延遲時間的大小,都會決定整個系統(tǒng)的工作狀態(tài)。傳統(tǒng)的示波器或頻譜分析儀是無法完成這種時間相關(guān)的時域和頻域信號綜合調(diào)試工作的。
MDO混合域示波器的創(chuàng)新設(shè)計(jì)理念
泰克MDO4000系列混合域示波器獨(dú)特的創(chuàng)新理念,為調(diào)試跨域的時頻相關(guān)的系統(tǒng)提供了獨(dú)一無二的工具。MDO4000在一臺全功能的混合信號示波器的基礎(chǔ)上,增加了一臺3GHz或6GHz的頻譜分析儀,可以完成普通頻譜分析儀的各種頻域測量功能。完全獨(dú)立的示波器時域采集系統(tǒng)和頻譜分析儀頻域采集系統(tǒng),既可以獨(dú)立工作,也可以通過觸發(fā)協(xié)同工作。通過移動頻譜時間,用戶可以在示波器采集到的時間窗口內(nèi),觀測在射頻通道采集到的任何一點(diǎn)的RF信號的頻譜情況。MDO還提供了RF信號的幅度、頻率和相位相對于時間變化的調(diào)制域分析功能。這些獨(dú)有的功能幫助用戶測量RF信號的各種調(diào)制信息。使用頻譜分析儀的工程師經(jīng)常面臨的一個問題是如何準(zhǔn)確地觸發(fā)并捕獲到關(guān)心的RF信號。由于傳統(tǒng)的頻譜分析儀觸發(fā)功能很有限,用戶很難做到一點(diǎn)。MDO4000不但可以通過RF信號的各種特征進(jìn)行觸發(fā),還可以使用示波器的觸發(fā)系統(tǒng),通過基帶或控制信號完成RF信號的觸發(fā)采集,這種功能極大地降低了調(diào)制物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的難度。
在調(diào)試RFID系統(tǒng)時,工程師面臨的一個重要的困難是如何測量標(biāo)簽的返回信號。由于標(biāo)簽返回信號的幅度很小,使用普通的示波器往往難以捕獲這一信號,更不要說對其幅度和頻率做進(jìn)一步分析了。主要原因是普通示波器的動態(tài)范圍只有40dB,無法捕獲微弱的標(biāo)簽信號。MDO4000具有60dB的動態(tài)范圍,以及低至-152dB/Hz 的底噪,能夠很好地勝任同時捕獲讀寫器信號和標(biāo)簽信號的任務(wù)。其獨(dú)特的AvsT射頻信號幅度的時域波形功能,甚至可以顯示標(biāo)簽信號幅度變化過程。
下面我們以一個13.56MHz的RFID讀寫器系統(tǒng)為例,介紹MDO4000的跨域調(diào)試應(yīng)用。
在RIFD系統(tǒng)研發(fā)中MDO混合域示波器的應(yīng)用
圖一 采用NXPCLRC632芯片的RFID讀寫器
測試13.56MHzRFID讀寫器的RF信號質(zhì)量參數(shù)
13.56MHz高頻RFID系統(tǒng)是目前國內(nèi)應(yīng)用最為廣泛,技術(shù)較為成熟的射頻識別系統(tǒng)。相關(guān)的國際標(biāo)準(zhǔn)對射頻發(fā)射頻率、信道帶寬、發(fā)射功率等參數(shù)都有明確的要求,特別是RF信號的幅度(功率)隨時間變化的情況,標(biāo)準(zhǔn)有著嚴(yán)格的規(guī)定。以讀寫設(shè)備為例,讀寫設(shè)備發(fā)出的載波信號的幅度變化時間,必須符合ISO18000-3標(biāo)準(zhǔn)對于t1-t4的時間限制。
圖二 ISO18000-3 13.56MHz RFID空中接口時間參數(shù)規(guī)范
通過使用MDO4000獨(dú)特的觸發(fā)功能,用戶可以輕松穩(wěn)定捕獲RFID的時域和頻域信號。如圖所示,由于載波信號幅度在變化,使用傳統(tǒng)手段很難測量出RF信號從90%下降到5%的T1的時間長度。我們可以打開AvsT調(diào)制曲線,它代表了RF信號的幅度相對于時間變化的軌跡。通過自動測量或手動光標(biāo)測量,我們可以輕松得到T1的準(zhǔn)確時間。同理可以完成其他時間參數(shù)的測試。
圖三 13.56MHzRFID PCD到PICC信號的時域和AvsT調(diào)制域波形
圖四 測量PCD發(fā)射信號與標(biāo)簽返回信號間的延遲時間
另一個需要嚴(yán)格保證的時間是從讀寫器發(fā)出讀卡信號后到標(biāo)簽返回信號的時間。過長或過短的時間都會被認(rèn)作讀寫失敗。使用傳統(tǒng)儀器測量這些信號的難度很大。MDO4000可以將RF信號的AvsT的軌跡完整展示的屏幕中,用戶只需用光標(biāo)定位到相應(yīng)位置,即可得到這一延遲時間。
圖五 13.56MHz RFID射頻信號的時域波形、調(diào)制域波形與頻譜顯示
如果設(shè)計(jì)人員希望了解RFID系統(tǒng)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)情況,MDO4000同樣可以提供強(qiáng)有力的支持。MDO4000可以提供RF信號的IQ數(shù)據(jù)。將這些數(shù)據(jù)導(dǎo)入泰克的RSAVu軟件后,可以完成RFID數(shù)據(jù)的解碼、射頻指標(biāo)計(jì)算等工作。如下圖所示,使用RSAVu軟件讀取MDO4000提供的.TIQ數(shù)據(jù),軟件可以計(jì)算得出RF信號的幅度時域波形,計(jì)算得出EVM、調(diào)制深度、調(diào)制系數(shù)、頻率偏差、碼速率等參數(shù)。并可以將這些RF信號代表的數(shù)據(jù)解碼顯示出來。簡化了設(shè)計(jì)人員的調(diào)試難度。
圖六 RSAVu自動測試和解碼功能
RFID讀寫器是一個包含了基帶微控制器、RF發(fā)射和接收模塊以及電源和控制總線的復(fù)雜的射頻嵌入式系統(tǒng)?;鶐Э刂菩盘柡拖到y(tǒng)內(nèi)部寄存器的狀態(tài)直接影響系統(tǒng)的工作狀態(tài)。以我們測試的讀寫器為例,NXP CLRC632讀寫控制芯片包含了 壓控振蕩器、鎖相電路、編碼、解碼、混頻和發(fā)射/接收功能,芯片的工作受到單片機(jī)芯片STC 90c58RD+的控制。
測試系統(tǒng)控制信號與TX和RX信號的時序關(guān)系
圖 七 Rx信號與射頻信號的時域關(guān)系
圖八 通過SPI總線捕獲寄存器狀態(tài)數(shù)據(jù)
單片機(jī)芯片與讀寫控制芯片之間通過SPI總線通信。讀寫控制芯片的實(shí)際工作功能,通過更改內(nèi)部寄存器的數(shù)值加以管理。如:地址14的寄存器為codercontrol寄存器,控制編碼時鐘和模式。當(dāng)該寄存器的第三位至第五位的值為000時,則編碼速率為848KB,當(dāng)數(shù)值為011時,則為一個典型的ISO1443A編碼標(biāo)準(zhǔn),碼速率為106KB,數(shù)值為100時為ISO1443 TYPE B的編碼速率。這調(diào)試實(shí)戰(zhàn)中,如果我們發(fā)現(xiàn)頻譜副載波信號的頻率與我們設(shè)計(jì)的傳輸碼速率不一致時,我們可以通過捕獲相應(yīng)地址的SPI總線數(shù)據(jù),查看相應(yīng)的寄存器的數(shù)值,確定出現(xiàn)此類問題的原因。Codercontrol寄存器的0-2位,控制的是傳輸數(shù)據(jù)的編碼形式。如果在設(shè)計(jì)調(diào)試中發(fā)現(xiàn)有數(shù)據(jù)通信不能建立的問題,可以檢查這三位的數(shù)值,核查實(shí)際的編碼形式是否正確。“000”代表ISO14443-B的NRZ非歸零編碼,“001”表示ISO14443A的Miller編碼,而“110”和“111”則表示ISO15693標(biāo)準(zhǔn)對應(yīng)的編碼形式。
總結(jié)
MDO4000混合信號示波器獨(dú)有的時間相關(guān)的跨越分析功能,為以RFID為代表的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的研制和調(diào)試提供了有力的工具。使用MDO4000不但能夠輕松測量信號的模擬波形、頻譜狀況和各種頻域參數(shù),更可以通過AvsT、FvsT和ΦvsT這些調(diào)制域軌跡,簡便地驗(yàn)證產(chǎn)品是否符合國際和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定。更重要的是,由于將模擬信號、數(shù)字信號和總線信號,與射頻信號在時間上關(guān)聯(lián)起來,我們既可以通過這些信號時序關(guān)系,驗(yàn)證系統(tǒng)實(shí)際工作的過程,也可以通過對總線信號、寄存器數(shù)據(jù)的分析,查找除產(chǎn)生故障的原因。目前MDO4000是市場中唯一一種能夠提供此類功能的測試儀器。我們希望MDO4000能夠加速物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)品的設(shè)計(jì),為整個產(chǎn)業(yè)的發(fā)展貢獻(xiàn)力量。
MDO4000混合域示波器主要指標(biāo):
典型配置:
MDO4054-3 混合信號示波器(如果設(shè)計(jì)2.4G RFID系統(tǒng),建議選擇MDO4104-6)
DPO4EMBD總線分析模塊(I2C+SPI總線)
MDO4TRG高級射頻觸發(fā)模塊
專用標(biāo)簽天線工裝
泰克近場探頭套件(型號:119414600,100KHz-1GHz)
BNC電纜
BNC三通適配器